8王世充的太子王玄应率领几千士兵，从虎牢运粮到洛阳，秦王李世民派将军李君羡截击，大败他们，王玄应仅自身逃脱。
李世民让宇文士及上奏请求进军包围东都，高祖对宇文士及说：“回去告诉你的大王：现在攻取洛阳，只为停止战争，攻克城池后，车马、法物、图籍、器械，不是私人需要的，委托你收集；其余的子女玉帛，都分给将士。”
辛丑日（十三日），李世民移军青城宫，壁垒未立，王世充率领二万部众从方诸门出战，（胡三省注：东都城南面三门，中为端门，左为左掖门，右为右掖门，洛水流经门前，有天津、永济、中桥三桥。）凭借旧马坊的墙壕，临谷水抵抗唐军，众将都畏惧。李世民率精锐骑兵在北邙列阵，登上魏宣武帝的陵墓眺望，对左右说：“贼兵处境窘迫，全军出战，企图侥幸一战，今天打败他们，以后就不敢出战了！”命屈突通率领五千步兵渡河攻击，告诫屈突通：“交战后就放烟。”烟起，李世民率领骑兵南下，身先士卒，与屈突通合力奋战。李世民想了解王世充阵形的厚薄，率领几十名精锐骑兵冲击，直出阵后，众兵溃散，杀伤很多人。不久被长堤阻挡，与骑兵失散，将军丘行恭独自跟随李世民，王世充的几名骑兵追上，李世民的马中流箭而死。丘行恭回马射追兵，箭无虚发，追兵不敢前进。于是下马把马给李世民，丘行恭在马前手持长刀步行，跳跃呼喊，（胡三省注：距跃指超越跳跃。杜预说：距跃是超越。）斩杀几人，突破敌阵而出，得以进入大军。王世充也率领部众死战，溃散后又集合多次，从辰时到午时，王世充的军队才撤退。李世民发兵追击，直抵城下，俘获斩杀七千人，于是包围洛阳。骠骑将军段志玄与王世充的军队苦战，深入敌阵，马倒，被王世充的士兵擒获，两名骑兵夹住他的发髻，将要渡洛水，段志玄纵身奋力，两人都坠马，段志玄驰回，几百名追兵不敢逼近。
起初，骠骑将军王怀文作为唐军的侦察兵，被王世充俘获，王世充想安抚他，安置在身边。壬寅日（十四日），王世充出右掖门，临洛水列阵，王怀文突然持槊刺王世充，王世充内穿铠甲，槊折断不能刺入，左右猝不及防，都惊愕不知所措。王怀文逃往唐军，到写口，（胡三省注：洛城中的水在此排放以泄秽，因此名为写口。）被追上俘获，杀死。王世充返回，脱下铠甲，袒胸对群臣说：“王怀文用槊刺我，最终不能伤害，难道不是天命吗！”
此前御史大夫郑頲不愿在王世充处做官，多称病不参与事务，到这时对王世充说：“我听说佛有金刚不坏身，陛下就是这样。我实在幸运，能生在佛世，希望弃官削发为僧，勤恳修行，以助陛下的神武。”（胡三省注：用诡辩请求离去。）王世充说：“国之大臣，声望向来很重，一旦出家，会惊动众人。等战事平息，就依从你的意愿。”郑頲坚决请求，不被允许。退下对妻子说：“我束发为官，志在名节，（胡三省注：束发指年少总角时。）不幸遭遇乱世，流落至此，在猜忌的朝廷中谨慎生存，处于危亡的境地，智力浅薄，无法自保，人生终有一死，早晚有什么不同，姑且随我的心愿，死也无憾。”于是削发穿僧服。王世充听说，大怒说：“你认为我必败，想苟且免死吗？不杀你，怎么制服众人！”于是在街市斩了郑頲。郑頲谈笑自如，观者认为他很勇敢。
下诏追赠王怀文为上柱国、朔州刺史。（胡三省注：朔州是隋的马邑郡。）
9庚戌日（二十二日），王泰放弃河阳逃走，（胡三省注：去年七月，王世充派王泰守河阳。）部将赵敻等人献城投降。别将单雄信、裴孝达与总管王君廓在洛口对峙，秦王李世民率领五千步兵骑兵救援，到轘辕，单雄信等人逃走，王君廓追击打败他们。
10壬子日（二十四日），延州总管段德操攻击刘仚成，打败他，斩首一千多级。
11乙卯日（二十七日），王世充的怀州刺史陆善宗献城投降。
12秦王李世民包围洛阳宫城，城中防御很严，大炮发射五十斤重的石头，能掷二百步，八弓弩的箭像车辐，箭头像巨斧，能射五百步。（胡三省注：八弓弩指八弓共一弦，如古连弩，今之划车弩也属此类。）李世民四面攻打，日夜不停，十多天不能攻克。城中想翻城投降的有十三批，都没成功而死。唐将士都疲惫想回去，总管刘弘基等人请求撤军，李世民说：“现在大举而来，应当一劳永逸。东方各州已望风归附，只有洛阳孤城，势必不能长久，功在垂成，怎能放弃离去！”于是下令军中：“洛阳未破，军队绝不返回，敢说撤军的斩首！”众人才不敢再言。高祖听说，也秘密下令李世民返回，李世民上表称洛阳必定可攻克，又派参谋军事封德彝入朝当面