“我们与刘贼相持已经两个月有余，我们坚壁不出，并非示以怯意，其实为少伤人命。那刘贼久困洺州之内，我们断其粮道，其城中存粮已经无多，观夜来其拼命突围的劲头，他大概已经撑不下去了。诸位，破敌之机，就在今日。我们现在就找刘贼决战。”
众将听说要和刘黑闼决战，群情振奋，一迭声叫好。李世民低头对薛氏兄弟道：“两位薛将军，请你们上复燕公，将世民这番心意讲明。若要一鼓作气击破洺州，断断少不了燕公的协助。”
薛氏兄弟点头称诺。
李世民又道：“此次决战，本王不想全凭人力，一月以前已让史将军他们在洺水上游准备了一件厉害兵器。届时上阵，请各位将军约束手下，密切注意中军令旗和号炮，按计行事。”
众将对李世民的指挥早已心悦诚服，知道若按中军之令行事，或进或退，并无太多差失。大家满心喜欢，眼瞅着此次战役即可一战结束。
李世民准备的这件厉害兵器，即是洺水那奔腾的碧波。
洺水河床并不太宽，仅有二十余丈。其缓缓东流，到了洺州沿西墙向南，绕过南墙复又向北，顺东墙而流，然后猛一转弯折向东北，直到与漳水交汇。这样，洺水从三面绕着洺州城墙而走，成了洺州天然的护城河。刘黑闼觉得可以倚势防守，不需要投入太多的兵力，因而把主要防守重兵放在了北城墙。
李世民为了摸清敌情，曾多次轻骑来到洺州城外观察。随行众将见了洺州的地势，都说刘黑闼有眼，寻到了这个绝佳的易守难攻的城堡。李世民不这样认为，他对李世说道：“世兄，如今洺水上游由段志玄他们把持，若在那里垒堰阻水，然后决堤放流，能否就此冲了洺州？”
李世眼睛一亮，觉得此计大妙，兴奋地说道：“洺州城墙较高，水难入城。不过刘贼日日前来索战，可以将之引到一低洼地，再以水冲之，定能收到奇效。”
水淹敌军之计，就这样很快定了下来。段志玄、史大柰、张公谨三将接到李世民的将令，一面防备刘黑闼前来进攻，一面派人在洺水上游闸了一道高高的堤坝，用来蓄水。
三月二十六日，唐军列队向洺州进发。刘黑闼闻讯，觉得昨夜固然兵败，毕竟损失不多，如今唐军想乘胜来占些便宜，正可趁其疲乏之际将之打败以求突围。他对众将道：“我们能否突围，就看现在能否打胜此仗。现在李世民驱疲惫之军，明显轻慢我等。我们可激励大家士气，拿出韩信过河焚舟的劲头，与唐军浴血决战。”说完，他带领步骑二万出北门，然后南渡洺水，向唐军迎去。
李世民早已摸清周围地势，令各营在指定位置排定，那里是扇形的高地，面前是一片开阔的低洼地。巳时三刻，刘黑闼的步骑缓缓东来，渐渐入了唐兵的视线。他们在低洼地里排成阵列，手持盾牌开始冲锋，一抵近前，唐兵的弩箭纷纷迎面射来，逼迫他们又退了下去。这样，唐军占领了三面高地，恰恰将敌军围在前方的低地里。
此时日近中天，温暖的阳光洒在大地上，双方可以看清彼此的脸孔。相较之下，坡上的唐军旗幡严整，衣甲鲜明；而坡下的敌军因饥饿已久，人人脸现菜色，透出狼狈之相。李世民骑着“拳毛”，迎风站立在南面高坡之上，仔细观察刘黑闼军队的阵势，冷寂的脸上透出一丝轻松，觉得今日已稳操胜券。他回首对李世说道：“世兄，我带人冲锋，中军由你把持。可让步卒坚守高地，不许他们妄动。你待洺水决堰之后，可点燃号炮，约束大军齐进齐退。”说完，他将大手一挥，一扯缰绳，“拳毛”撒开蹄子率先冲下高坡。身后的秦叔宝、程咬金、尉迟敬德见状，急忙控马跟随，八千马军随后冲杀。
这八千人霎时就冲到了敌军阵前，他们入阵后横挑竖劈，杀得血肉横飞。刘黑闼见状，急忙驱使手下马队前去接战。无奈唐军马队领了先杀敌步卒的方略，不主动与他们交战，往往一触即离。两方马骑就在刘军步卒方阵里来回奔驰，许多刘军步卒成了蹄下之鬼。
北边的薛氏兄弟见李世民已经发动，带领五千马骑飞快闯入敌阵。一时间，偌大洼地里人马往来，人们的喊杀声和伤马的哀鸣声混成一团。
刘黑闼见难以截住唐军马队的厮杀脚步，遂令手下放箭。很快，他们箭发如雨，纷纷射向阵中的唐兵，然箭羽入阵后不认敌我，连带着伤了自家不少人。
李世民的“拳毛”躲避不及中了几箭，它负痛嘶鸣一声，继而身子直竖起来，险些把李世民颠下马来。李世民紧贴马背稳住身体，大喝道：“敬德，你带领三千人冲散刘贼马队，阻止他们放箭。”尉迟敬德领命而去。李世民俯身看“拳毛”的伤势，见几处伤并不致命。其中三处所伤甚浅，剩下一箭贯穿了马尾，他伸手为马拔出箭羽，叫道：“好马儿，且再忍耐一会儿，看我为你报仇。”
尉迟敬德领人迎着箭雨冲锋，双方形成了混战局面。战斗进行到未时，李世民见己方显得力薄，遂命令秦叔宝道：“放号炮。”
混战军阵里响起了三声号炮响声，李世听到后，知道这是李世民的命令，就将手中红旗招起，唐军步卒队伍立刻起动，从三面蜂拥入阵。这二万步卒加入战团，顿时改变了双方态势。唐军渐渐将敌阵压迫后退。
此时天已经黄昏，范愿见大势已去，无奈对刘黑闼说道：“大王，唐军势大，西面的唐军还没有发动，不知又有什么名堂。我看今天凶多吉少。留得青山在，不怕没柴烧，我们要先找一条生路。现在向北突围已经无望，不如少带人马从唐军夹缝中逸出，向北投奔突厥，今后再徐图发展。”
刘黑闼此时人困马乏，又见喊杀声中，唐军推进的速度越来越快，遂叹道：“也罢。范将军，你派人去通知高雅贤他们，让他们也想法冲出去，我们先走，待潜出幽州后再会齐。”范愿一面派人通知高雅贤等人，一面和身边的二百余人掩护着刘黑闼，他们且战且退，悄悄脱离了战场。
这时，李世在中军又燃起了三声号炮，声音在夜空中异常响亮。这是退兵信号，唐军遂止住脚步，手执军械护身向高地撤退。刘军本来就陷入绝阵，见对方主动收手，一时不明所以，他们此时已经散了队列，凄惶惶如一群乱羊，踉踉跄跄向洺州退去。
这边的唐军缓缓上了高坡。
天色已经黑透，高雅贤、董康买等人向洺州狂奔，已经遥遥望见了城内的灯火。原来范愿派出通知之人乱军中没有找到高、董二人，反而遭到杀戮。这样，高、董二人没有意识到他们已经陷入绝境。他们先是听到一阵如惊雷的声音隆隆而来，继而听到前列之人呼喊惊号，很快，一片白漫漫的大水扑面而来，瞬间将他们冲得无影无踪。
李世民站在高坡上听见上面来的水声，知道大势已定。他令大军退回各自营地，好好睡上一觉，待明日天亮之后再来打扫战场，接收洺州。他习惯地拍了一下马颈，却触手空空。李世民忽然想起，那匹心爱的“拳毛”今日共中了九箭，力战而死。这会儿马尸被洪水裹挟，其身不知漂到何处去了，一刹那间，他心头泛出了无限伤感。
洺水一战，除了刘黑闼本人带领二百余骑投奔突厥之外，其余叛军悉被平定，大唐又重新控制了河北诸州。
由于刘黑闼的影响，任城的徐圆朗和渔阳的高开道起兵与之响应。李世民如今打败了刘黑闼，他与李艺商量，由李艺领兵北上剿灭高开道，自己则与李元吉一起向东南进发，准备擒拿徐圆朗，以彻底安定山东之地。
李元吉此次跟随李世民，一路上如同摆设，每及战事，皆让他守营，每议大事，压根就不与他商量。李元吉身在河北，有专使与长安相通，李建成写给他许多书信，将朝中之事通报于他。李元吉已经知道了父皇现在对李世民的态度，这天他见了李世民准备去进攻徐圆朗，觉得机会来了，遂修书一封，派专人送往长安。李元吉认为，父皇仅让你李世民讨伐刘黑闼，如今事已平息，却又节外生枝，而且当奏不奏擅自行事，其祸必咎由自取矣！