虽然从前王世充与窦建德双方曾为争夺河内等一部分地盘发生过冲突，但建德的中书侍郎刘彬认为，应把握战机暂弃前嫌出兵应援。
他分析说：天下大乱，唐得关西，郑得河南，赵得河北，共成鼎足之势。今唐举兵临郑，自秋涉冬。唐兵日增，郑地日蹙，唐强郑弱，势必不支。郑亡，则赵不能独立矣，不如解仇除怨，发兵救之。赵击其外，郑攻其内，破唐必矣。唐师既退，徐观其变，若郑可取之，并二国之兵，乘唐师之老，天下可取也。
刘彬对形势的分析可谓切中要害、一箭双雕，而且切实可行。当时唐军势盛，单独由赵国或郑国都不足以与唐军对抗，只有维持三足鼎立，才可能生存，窦建德采纳了他的建议。
就在夏历五十六年三月，窦建德令范愿守曹州，单雄信等诸位大将率众西救洛阳，水陆并进以船队运粮，驻军于成皋东边的东原。
这时唐军围攻洛阳，哪怕有火药武器的帮助也因为洛阳城墙厚达五丈，李唐制造的低劣火药根本无法将其炸塌，洛阳城的久攻不下让李唐将士多疲惫欲归，李渊亦有休兵之意，但李世民却不同意。
此时面对窦建德的前来，多数人认为‘吾兵疲老，世充凭守坚城，未易猝拔，建德席地而来，锋锐气盛。吾腹背受敌，非完策也’主张退兵新安，以承其弊。
但是大将郭孝恪反对撤兵，他认为‘世充穷蹙，垂将面傅，建德远来助之，此天意欲两亡之也。宜据武牢之险以拒之，伺间而动，破之必矣！’
薛收也赞同此意见，并进一步补充了郭孝恪的意见，如今李唐政权面对的不仅仅是窦建德和王世充，更要在接下来面对最强大的夏国，只有尽快统一天才能在日后与夏国的战争中保持一定的抵抗力。
李世民很赞同郭孝恪和薛收的分析和建议，针对萧瑀等大将的反对意见，明确决断与窦建德大军继续作战。
于是他中分麾下，令齐王李元吉围守洛阳，他亲率精兵三千五百人东进虎牢。
到虎牢后，世民带人侦察窦建德军情，沿途将五百骑分别埋伏道旁，仅带尉迟敬德等四名勇将跟随。
在距窦建德军营三里处时几人却被对方发现，窦建德大将派出五千余骑兵追击，李世民等人迅速撤退把他们引入伏击圈内，周围唐军齐出大败敌军，斩首三百余级，这就极大的巩固了唐军的士气。
建德率兵西来，被唐军阻击于虎牢关近月余，几次交战又都失利，将士接连受到挫折之下开始思归，唐军又派轻兵拦截了他的军粮，不断袭扰窦建德的后方粮道。
面对这种形势，他召集将士讨论用兵之策，凌敬劝说窦建德大王先攻取大河以北的怀州、河阳，派遣大将驻守，然后翻越太行山脉攻入上党，迅速夺取李唐在河东汾河故地的汾、晋等地，然后再夺取蒲津威胁关中之地。
凌敬的计谋也是很好，不过王世充连连派人向建德求救哀求催促他发兵，窦建德麾下诸将也觉得自己的兵力远远超过唐军，心中有了轻敌的心思都主张与唐军决战。
虽然建德夫人曹氏也劝他要听从凌敬的建议，但建德不予理会，依然决定率大军与唐作正面交锋。
经过一番侦察后窦建德计划在唐军马料用尽，放马于河北之际袭击虎牢关。
这一消息却为李世民所知，五月李世民北渡河，南临广武，故意放马于河边以引诱对方，然后他自己却在当夜紧急赶回虎牢关。
第二天，中计的窦建德果然率全军来攻打虎牢关，李世民坚壁不出，窦建德布好战阵等了两个时辰，士卒饥疲之下都坐下来休息，因为天气炎热又争着去喝水漫无纪律。
就在这时李世民乘窦建德军散乱之机率众出战，直扑其阵。
而窦建德这时正在接见群臣，唐骑兵突然杀到，大臣们都向窦建德奔去，窦建德命骑兵应战，并命挡路的大臣们退开，就在这进退之间，唐军已经杀到了眼前，窦建德只得退到东边的山坡。
此时，两军恶战，李世民亲自率几员大将卷着唐军战旗突进到窦建德军阵的后面，然后打开旗帜。
正在激烈交战的窦建德军以为自己后方军阵已溃，于是全军大败，窦建德也在战乱中被擒。
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