唐高祖武德四年即公元621年二月十三（辛丑），李世民和王世充在洛阳城前展开大战，结果王世充战败，唐军接着包围了洛阳。
当初，骠骑将军王怀文为唐军侦察敌情时，被王世充捉获。王世充想安慰讨好他，便把他安排在自己身边。二月十四（壬寅），王世充从右掖门出发，靠着洛水布阵。王怀文忽然挺着长槊要刺杀王世充，但因为王世充裹着内厚甲，长槊折断了而不能穿过。王世充身边随从猝出不防，全都惊呆在那里，不知该怎么办。王怀文于是策马投奔唐军，但到写口时被追上杀了。王世充回城后，脱下内甲，袒露着上身给群臣们看，说：“王怀文用长槊刺我，却不能伤到，这难道不是天命吗！”
先前，御史大夫郑颋不愿意在王世充那里当官，因此经常称病不参预朝政。这时，他跟王世充说：“臣听说佛有金刚不坏之身，陛下真也是如此。臣实在很幸运，能够生在活佛的世上。臣愿意放弃官职，削发为僧，勤奋地敬佛念经，好增添陛下的神武。”王世充说：“你是国家的大臣，声望一直很重。一旦进入佛门，必将惊动民众。还是等到兵革休息之后，朕一定尊重你的愿望。”郑颋再三请求，但王世充执意不肯。郑颋退下后跟他妻子说：“我束发出来为官，是仰慕臣子的名节。不幸遭遇乱世，流落到这里，侧身在猜忌的朝堂，立足在危亡的地方。我智力浅薄，无法自全。人生总会有一死，早晚有什么两样？姑且遂了我的心愿，死也无憾。”于是不顾一切地剃去了头发穿上僧服。王世充听说后，勃然大怒，说：“你以为我必败，就想一次免祸吗？不杀了你，朕靠什么制服众人！”于是在东市将他处斩。郑颋谈笑自若，观看的人无不敬佩他的气壮山河。
同时，唐高祖李渊下诏追赠王怀文上柱国和朔州刺史。
二月二十二（庚戌），王世充的侄子王泰丢弃河阳逃走，他的部将赵敻等人在河阳城来降唐朝。王世充的别将单雄信和裴孝达与唐总管王君廓在洛口相持，秦王李世民率领步骑五千驰援王君廓。唐军来到轩辕时，单雄信等人退走，王君廓带兵追赶，又打败了他们。
二月二十七（乙卯），王世充的怀州刺史陆善宗在州城降唐。
秦王李世民包围洛阳的宫城，城中的守卫和防御很严。守军的大炮能发射重五十斤的石块，射程可达二百步。他们的八弓弩箭犹如车辐那么粗，箭头也犹如巨斧，射程可达五百步。李世民四面攻打，昼夜不息，但十来天了，都无法攻克。城中先后有十三批人想翻墙出城投降，但都被守军给杀死了。唐军将士个个疲惫不堪，都盼望西归。总管刘弘基等人请求班师，李世民说：“今天我们大举前来，必须一劳永逸地解决问题。东部的各州早已望风臣服，只剩下洛阳一座孤城。他们势必不能持久。功在垂成，我们怎能半途而废！”于是向全军下令道：“洛阳未破，师必不还。敢言班师者斩！”大家因此再不敢提班师的事。唐高祖得悉后，秘密下达敕令给李世民，让他班师回朝。李世民上表，坚称洛阳必定可以攻克，又派参谋军事的封德彝入朝，当面向唐高祖解释目前的形势。封德彝跟唐高祖说：“王世充名义上的地盘虽然很多，但都是靠笼络而维持的隶属。他实际能够行使号令的地方，只有洛阳一城而已。王世充早已穷途末路，攻克洛阳就在朝夕。今天如果班师回去，贼兵的势力一旦重振，各地开始重新连接一道，今后就很难对付他们了！”唐高祖觉得有理。同时，李世民也写信给王世充，跟他解释祸福利害，但王世充没理他。
二月三十（戊午），王世充的郑州司兵沈悦派使者到左武侯大将军李世勣那请降。左卫将军王君廓夜里带兵去袭击虎牢，沈悦作为内应，所以唐军很快就攻拔了虎牢，并俘获了荆王王行本和长史戴胄。沈悦是沈君理的孙子。
同时，窦建德攻克周桥，俘虏了孟海公。
行军总管刘世让率军攻打并占领了窦建德的黄州。但洺州早已严密防备，刘世让无法继续前进。刚好突厥人即将入寇，唐高祖连忙召刘世让回来。
窦建德任命的普乐县令平恩人程名振来降唐朝，唐高祖任命他为永宁县令，让他派兵出征河北。程名振在夜里袭击邺城，俘获了那里的男女一千多人。在离开邺城八十里地时，他看到有九十多个还在为婴儿哺乳的妇人，就把她们都放回去了。邺人被他的仁慈感动，专门去施舍僧人，为他念经祈福。
再说唐军包围洛阳，挖掘堑壕，修筑堡垒，准备进行持久战。洛阳城中缺乏粮食，绢一匹才值谷粟三升，布十匹才值食盐一升，其他的服饰和珍玩，更是分文不值。老百姓把草根和树叶都吃光了，互相从河里淘出浮泥，和米屑混在一起作饼吃，所以个个都生病，身体浮肿，手脚虚弱，路上都是死人。当时皇泰主杨侗刚将民众迁移进宫城时，还有三万家人，到此时已经不到三千家了。即使贵为公卿大臣，连粗糠都填不饱肚子；尚书郎以下的官员，都得亲自去到处找东西吃，往往被饿死。
窦建德派部将范愿守卫曹州，将原来孟海公和徐圆朗的部众，全部派往西边去救洛阳。大军到滑州时，王世充的行台仆射韩洪开门接纳了他们。三月二十一（已卯），大军进驻酸枣。
三月二十四，窦建德攻陷管州，杀了刺史郭士安。他接着又攻陷荥阳和阳翟等县，还水陆并进，用船只运粮，在黄河逆流西上。王世充的弟弟徐州行台王世辩派部将郭士衡带兵一千多人和他们会合。窦建德大军共有十多万，号称三十万，驻军在成皋的东原。他们在板渚（今河南荥阳汜水镇东北，为运河和黄河的接口）修筑宫室，同时派人把部队的进展报告王世充。
先前，窦建德写信给秦王李世民，请求他退回到潼关，归还唐军侵占的郑国领土，重修旧好。李世民召集将佐商议。大家都请求暂且回避窦建德的锋芒，只有郭孝恪说：“王世充早已穷途末路，即将绑了自己前来投降。窦建德老远跑来援助他，这不过是天意，要他们两人全都灭亡罢了。我们应当占据武牢的险要抗拒他，然后找机会出击，一定可以打败他！”记室薛收说：“王世充保据东都，府库的资产十分充实。他所率领的部队，都是长江和淮水一带的精锐。今天他主要的忧患只是缺乏粮食而已。因为这个原因，他被我们牵制着，求战不得，坚守则难以持久。窦建德亲率大众，远来赴援，也必然出动他的所有精锐。如果让他过来，两路贼寇合并一块，再将河北的谷粟转运过来支援洛阳，那么这场战争只不过刚刚开始，收兵的日子将遥遥无期。全国的统一，也不知道要到何年何月。今天我们应当分兵，深沟高垒地困住洛阳。王世充出兵时，我们必须谨慎，千万不要和他们交战。大王可以亲率骁勇和精锐，先去占据成皋，激励战士，训练大军，以逸待劳地等待窦建德的到来。那样就一定可以打败他。一旦打败窦建德，王世充将不战而败。这样一来，不出二十天，这两个贼头就将束手就擒！”李世民觉得有理。薛收是薛道衡的儿子。
萧瑀、屈突通、封德彝都说：“我们的士兵都已经非常疲劳，而王世充凭籍坚城固守，不容易马上攻拔。窦建德乘胜而来，锋芒毕露，锐不可当。我们腹背受敌，所以薛记室的主意并非良策。不如先退保新安，然后再寻找他们的弱点和空隙。”李世民曰：“王世充的兵马已被摧毁，粮食也已耗尽，将士上下离心，实在不必麻烦去拼力攻打，可以坐着把他攻下。窦建德新近刚击溃孟海公，将领骄傲，士卒怠惰。我出兵占据武牢，扼住他的咽喉。他们如果冒险争锋，我们打败他将十分容易。如果他们狐疑不肯出战，十来天之内，王世充就将自行崩溃。一旦宫城被攻破，我们的兵马将更加强大，气势自然也就倍增。一举两克，就在这趟出征了。如不尽速进军，一旦让贼兵进入武牢，那么新来归附的各座城池，必然无法守住。那时两贼并力，他们的势力一定增强，我们哪还找得到他们的弱点和空隙！我已经决定了！”屈突通等人又请求先解除了对洛阳的包围，去占据险要，再观察形势的变化，但李世民不肯。于是李世民开始部署部下，派屈突通等人作为齐王李元吉的副手，继续围守东都，李世民则亲自率领骁勇三千五百人往东直趋武牢。李世民在正午出发，经过北邙，直抵河阳，往着巩县方向而去。王世充登城眺望，见到李世民离去，不知道他打的什么主意，终究不敢出兵追杀。
三月二十五（癸未），李世民率军进入武牢。次日，他带领五百骁骑，从武牢东进二十多里，去侦察窦建德的军营。沿路他留下一些随从骑兵，让李世勣、程知节、秦叔宝分别率领，埋伏在路旁。李世民然后带着剩下的四个随骑，一道前进。李世民跟尉迟敬德说：“我手拿弓矢在前，你手拿长槊随后，即使他们有百万大众，也奈何我们不得！”又说：“贼兵见到我就撤退，是他们的上策。”在离窦建德军营三里地时，窦建德的游哨遇上他们，还以为是自己的侦察兵。李世民大喊道：“我就是大唐秦王。”接着张弓射击，一员敌将应弦毙命。窦建德军中大惊，出动了五六千骑追赶李世民。他的随骑无不大惊失色，李世民曰：“贤弟俩先走，我自己和尉迟敬德殿后。”于是拉着缰绳徐徐后退。追骑即将赶到时，李世民张弓又射出一箭，马上击毙一人。追兵怕了，只好暂时停下，接着又重新上来，就这样搞了三次，但每次上来必定有人毙命。李世民前后射杀了数人，尉迟敬德用长槊也杀了十来人，于是追兵不敢继续紧逼。李世民故意徘徊迟疑，将他们引诱进埋伏圈后，李世勣等人奋起猛击，击溃追兵，杀了三百多人，还俘获了他们的骁将殷秋和石瓒，然后安全返回。李世民接着写信给窦建德，劝谕他说：“赵、魏地区，很久以来就已经归我所有，后来被足下侵占夺走。但因为足下对淮安王（李神通，早先被窦建德俘虏）以礼相待，又送回了同安公主，所以我们也坦诚回报，释下旧怨。王世充近来和足下修好，但曾经多次反覆。如今他早晚就要败亡，只不过花言巧语地诱骗足下。而足下竟轻信他的话，率领三军大众，前来哺育他人，让自己的千金资产，平白地供给他人开销；这实在并非上策。今天我们双方的前哨刚刚相遇，你们就崩溃败亡。王世充还没来得及到郊外慰劳，你们就已经如此不堪一击，能不感到惭愧吗？所以我暂时抑制锋芒，还希望足下从善如流。如果足下没能看到这点，恐怕今后想后悔也来不及了。”
同时，唐高祖封秦王李世民的儿子李泰为卫王。
四月十五（壬寅），王世充的骑将杨公卿和单雄信带兵出战，齐王李元吉迎击，但出师不利。唐行军总管卢君谔战死。
这期间，王世充的平州刺史周仲隐在州城来降唐朝。
再说，窦建德被困在武牢，无法前进；稽留了个把月，多次交战也出师不利，将士们都想东归。四月三十（丁巳），李世民派王君廓带领一千多轻骑截击他的粮运，又打败了他们，还俘获了窦建德的大将军张青特。
祭酒凌敬跟窦建德进言说：“大王应当率军渡过黄河，攻取怀州和河阳，派重将把守。然后击鼓鸣号，高举旌旗，越过太行，进入上党，出征汾晋，直趋蒲津。这样做有三大好处：一是进入无人之境，取胜可以有绝对的把握。二是拓广地盘，收集民众，形势就会对我们更加有利。三是造成关中震动惊骇，郑国的围困将不战自解。就今天的形势分析，没有其它策略比这更好的了。”窦建德将要采纳，而王世充派来告急的使者前后不断，他的侄儿王琬和使臣长孙安世又早晚哭着请求他尽速派兵去救洛阳。他们还暗中用金银和宝玉去贿赂窦建德的部将，阻扰窦建德实施凌敬的谋略。部将们都说：“凌敬一个书生，哪知道战争的大事，怎能听他的话！”窦建德只好谢绝了凌敬的建议，说：“如今大家的心意都很坚决，这是天助我也。利用这样的意志前去决战，必将大捷。所以不能听从先生的建言了。”凌敬一再争辩，窦建德很生气，下令将他扶出去。他妻子曹氏跟窦建德说：“千万不能违背祭酒的话。今天如果大王从滏口出发，利用长安的空虚，连营渐进，夺取山北；然后再利用突厥人，往西包抄关中。唐人必定要回师自救，那时还怕郑国的围困不能解除吗！如果一直驻军在这里，劳师伤财，要想取得成功，要等到猴年马月？”窦建德说：“这不是你们女人知道的事情！我来救郑，郑国如今境况危急，败亡就在旦夕，我反而舍他而去，那不是畏敌不前，而且背信弃义吗？我不能这么做。”
窦建德救援王世充的事暂且放下，回到关内。
这年二月，并州安抚使唐俭秘密上奏说：“真乡公李仲文与妖僧志觉有谋反的言论，又娶了陶氏的女儿，想应验桃李的谣言。他还谄媚突厥的可汗，很得他的欢心。可汗答应要立他为南面可汗。还有，李仲文在并州时，贪赃受贿，声名狼籍。”唐高祖命令裴寂、陈叔达、萧瑀会同审讯他。二月十七（乙巳），并州总管李仲文被朝廷处死。
二月二十四（壬子），唐延州总管段德操带兵出击稽胡酋帅刘仚成，击溃了他，还杀死了敌兵一千多人。
三月初二（庚申），唐高祖任命胡人渠帅突地稽为燕州总管。
太子李建成俘获了一千多稽胡人，释放了其中的数十名酋长和渠帅，授给他们官爵，让他们回去招降他们的余党，刘仚成也投降了。李建成骗他们说要为他们增设州县，修筑城邑，然后命令二十岁以上投降的胡人全部集中在一起。接着他居然派兵包围并杀害了他们，死者多达六千余人。刘仚成觉得事情不对，急忙跑去投奔梁师都。
突厥的颉利可汗继承了他父兄的资产，兵马强盛，有侵凌中原的野心。他娶了隋朝的义成公主。公主的堂弟杨善经，在突厥避乱。他和王世充的使者王文素一道劝颉利可汗说：“当年启民可汗被兄弟逼迫，逃脱跑去投奔隋朝，幸赖文皇帝出力，才有了今天的领地，子孙也因此得以享福。如今唐天子并非文皇帝的子孙。可汗应当拥戴杨政道为主，前往讨伐唐朝，以报文皇帝的恩德。”颉利可汗同意了。唐高祖因为中原尚未平定安宁，所以待突厥人非常优厚，而颉利可汗贪得无厌，言辞也十分骄慢。三月十六（甲戌），突厥派兵入寇汾阴。
三月二十四（壬午），突厥人入寇石州，但被唐刺史王集打退。
夏四月初二（已丑），丰州总管张长逊入朝。当时多数谈论政事的人都说，张长逊长期在丰州，被突厥人看重，对国家不利。张长逊得知后，便请求入朝，想取消朝廷对自己的猜疑。唐高祖同意了。刚好太子李建成这时北伐稽胡人，张长逊率领所部和他会合，便趁机入朝。唐高祖拜他为右武候将军。刚好益州行台左仆射窦轨率领巴、蜀兵马前去会合秦王，共同攻击王世充，唐高祖于是让张长逊代为监理益州行台右仆射。
四月十二（已亥），突厥的颉利可汗入寇雁门，但被唐代州总管李大恩击退。
四月十五，太子李建成返回长安。
四月二十一（戊申），突厥入寇并州。当初，处罗可汗和刘武周里应外合，入寇并州。唐高祖派太常卿郑元璹前往突厥，向处罗可汗解释祸福利害，但处罗可汗不听。没多久，处罗可汗病故，突厥人怀疑是郑元璹下毒害了他，便将他扣留下来。唐高祖又派汉阳公李瑰用金银和布帛去贿赂颉利可汗。颉利可汗要他向自己下拜，但李瑰不肯，突厥人又把他扣留了。突厥人接着又扣留了左骁卫大将军长孙顺德。唐高祖非常愤怒，也扣留了他们的使者。李瑰是李孝恭的弟弟。
四月二十七（甲寅），唐高祖封皇子李元方为周王，李元礼为郑王，李元嘉为宋王，李元则为荆王，李元茂为越王。
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