李世民彻底铲除了刘武周之后，李唐王朝的东北侧翼处于稳固状态。这个时期，李唐王朝加快了统一全国的步伐。当时，在中原，李唐王朝与王世充、窦建德呈现三足鼎立的态势。李渊对于王世充和窦建德都想除之而后快，却很难一举拿下。考虑到窦建德所在的地方距离李唐王朝的地界还有一定距离，所以李渊决定先攻打王世充。让李渊大喜过望的是，正当他计划对王世充发兵的时候，王世充居然抢先对窦建德的黎阳展开了进攻。看到王世充背信弃义，窦建德马上派出兵马，攻占了王世充的殷州。就这样，窦建德和王世充彻底反目成仇，互相攻击。这样一来，李渊无需担心窦建德和王世充会结为联盟，联手对付他了。他放下心来，计划着慢慢将他们各个击破。
李渊决定出兵攻打王世充，为了避免被窦建德抄了后路，李渊在出兵之前先派出使者与窦建德建立良好的关系。在得到窦建德的支持后，李渊让李世民率领大军出关，征讨王世充。武德三年（620年）七月，李世民率领大军直奔东都。这是李唐王朝建立以来最大规模的用兵，足以证明李渊要**平王世充的决心。王世充很快就得到了消息，第一时间派出大军在洛阳附近布防。他还亲自率领三万大军，只等唐军来犯，就与唐军决一死战。
李世民很清楚，王世充的精兵强将都镇守洛阳，因而洛阳固若金汤，很难攻下。曾经，李密的瓦岗军和宇文化及的禁军都曾经出兵攻打洛阳，却以失败而告终。这一次，李世民能顺利攻下洛阳吗？
李世民率领唐军一路行进，很快就抵达了新安。新安距离洛阳很近，只有百十里路。李世民率军来到新安后，派人包围了洛阳的屏藩——慈涧。王世充身经百战，实战经验丰富，当然知道慈涧对洛阳的意义非同寻常，因而亲自率领三万大军赶赴慈涧，守护慈涧。正是在慈涧城外，李世民与王世充有了一次偶遇。原来，李世民带着很少的兵力侦察敌情，王世充恰巧率领大队人马赶来救援慈涧。王世充看到李世民只带着一小队人马，当即想到要活捉李世民，提前结束血战。却没想到，李世民英勇无畏，不但冲出了王世充的重重包围，还活捉了王世充的一员大将！王世充看到李世民如此英勇，不由得心生怯意，当即率军退入慈涧。
次日，李世民率领五万大军攻城。王世充和慈涧守备寇仲登上城楼查看情况，只见唐军气势磅礴，训练有素，军纪严明，装备精良，又看见唐军排兵布阵非常精妙，队形可在瞬息之间变化万千，不由得心惊胆战。王世充问寇仲：“唐军如此精良，我们是守城，还是主动迎战呢？”寇仲听到王世充居然提出这样的问题，不由得心中一震，他认为王世充已经被唐军吓破了胆，所以才会如此发问。其实，寇仲误会了王世充，王世充之所以这么问，只是尊重寇仲而已。王世充对于自己的处境看得很清楚，他知道慈涧只是个小城，无法像洛阳那样长期固守，否则必然粮草短缺。因此，王世充其实已经打定主意要迎战了。很快，王世充就下达了作战的命令。
李世民在士兵数量上占据优势，因而不停地变阵，持续地进攻，呈现出越战越勇的态势。而王世充呢，守着慈涧小城，兵力又远远不如李世民，因而在李世民的玄甲天兵阵法下，很快就溃不成军。眼见着自己处于下风，王世充率领余部火速返回洛阳。就这样，李世民攻入了慈涧，把慈涧作为了自己的临时据点和指挥中心。
作为军事奇才，李世民当然知道兵贵神速的道理。他在慈涧进行了短暂修整后，马上下令大军攻打洛阳。他巧妙地布置了合围之势，把洛阳包围起来，使其处于孤立无援的境地。王世充饱受合围之苦，不得已只好在洛阳城西北方向的青城宫，隔着水与唐军对峙。在阵前，李世民与王世充再次见面。王世充质问李世民为何要攻打他，李世民慷慨陈词：“大唐王朝顺应天命而建立，你却割据一方，岂不是藐视我大唐王朝吗？国家必须统一，百姓才能过上安定的好日子，我只是替天行道而已。”王世充知道以自己的兵力是绝无可能战胜李世民的，因而想要与李世民谈和，却被李世民坚决拒绝了。
就在李世民与王世充僵持不下之际，洛阳周围的很多城池都被唐军攻占。很快，洛阳就成为了一座孤城。王世充只好向窦建德求援，窦建德在刘斌的建议下，决定援助并想趁机吞并王世充，继而攻占长安。起兵之前，窦建德虚张声势地写信给李世民，说自己即将率领三十万大军驰援。对此，李世民不以为然。虽然窦建德的军事行为的确威胁到了长安的安全，也扰乱了李世民的军事部署。
此时，长期围困洛阳的唐军看到双方僵持不下，战局毫无进展，未免感到心浮气躁。这个时候，李世民的大将薛收提议兵分几路，一路切断窦建德和王世充的联系，一路继续围困洛阳，而李世民则率军依靠天险固守成皋。李世民结合各位大将的意见，得出了结论：“洛阳城内王世充粮草耗尽，不需要主动出击就能击破；窦建德因为才刚刚打败了孟海公，所以军心浮躁，唐军只要固守虎牢关，就能阻止窦建德驰援王世充，那么不出十日，王世充就会溃败。由此可见，占据虎牢关是取胜的关键。”
虽然李世民分析得头头是道，但是在场的将士们全都沉默不语。他们认为战争的情势瞬息万变，一切也许并不像李世民所说的这样容易。平日里，李世民从谏如流，很积极地采纳将士们的意见，这一次他却特别固执，决定要按照自己的计划去做。为此，李世民让房玄龄写信给窦建德，故意激怒窦建德，诱使窦建德出兵。紧接着，他下令让齐王李元吉和大将屈突通继续围困洛阳，却禁止他们主动进攻。众人都为李世民捏一把汗，李世民却在当晚就率领三千精骑赶赴虎牢关。这完全符合他一贯快攻猛打的作风。才几天过去，李世民就攻占了虎牢关，抢占了先机。这个时候，窦建德正在距离虎牢关二十多里路之外安营扎寨。他哪里能想到李世民已经切断了他继续前进的道路呢！
占据虎牢关之后，李世民没有以逸待劳，而是命令将士们沿途设伏，自己则带领五百精骑飞驰向窦建德的营地，想要引诱窦建德追击。果然，窦建德得到消息，知道李世民只带着小部队，此刻与自己近在咫尺，因而当即调集五千多铁骑，对李世民穷追不舍。李世民气定神闲地撤退，时而佯装进攻，射中了窦建德的士兵。就这样，他们很快就把窦建德的队伍引到自己的包围圈里，可想而知，窦建德的队伍中了埋伏，损失惨重，锐气尽消。
获得了这次小小的胜利，李世民再次写信给窦建德，指责窦建德背叛了大唐王朝，是不仁不义，还嘲笑窦建德实力堪忧。被李世民羞辱，窦建德怒气冲天。原本，他想与唐军速战速决，现在却因为唐军占据了虎牢关，而不得不改变战略，和唐军打起了持久战。最终，窦建德陷入了进退两难的困境中，决定北上。王世充得知窦建德即将北上的消息心急如焚，因为如果窦建德北上，那么他就必然会被困死于洛阳。为此，王世充收买了窦建德的几员大将，让他们想方设法阻止窦建德北上。就这样，窦建德放弃了北上的计划，依然与李世民僵持不下。
五月，李世民得知窦建德要偷袭他们，将计就计，决定以拖延战术消耗窦建德将士们的体力。为此，他派出队伍与窦建德纠缠不休，窦建德的全体将士很快就疲惫不堪，而且饥肠辘辘了。这个时候，李世民在远处看到窦建德的队伍队形涣散，将士们精神不振，因而当即命令骑兵对窦建德展开攻击。唐军杀入窦建德的队伍中如入无人之境，个个骁勇善战，很快就杀得窦建德的队伍丢盔弃甲，溃不成军。很快，李世民活捉了窦建德。窦建德的妻子曹氏得知消息，当即率领剩下的队伍回到河北。
看到窦建德被俘虏回到营地，李世民对窦建德奉若上宾，不但让士兵为窦建德解绑，还亲自帮助窦建德清洗伤口，小心包扎。李世民劝说窦建德与他联合，攻打东都，消灭王世充，并且承诺会保证窦建德全家都性命无忧。窦建德感动不已，当即写信给妻子，劝说妻子投降李世民。很快，曹氏带领文武百官，向李世民投降了。就这样，李世民收服了窦建德。
李世民当即用囚车押解窦建德来到洛阳城下。此时，王世充正在洛阳城上查看情况，正好看到了囚车中的窦建德，不由得大惊失色。后来，李世民又派了窦建德的部下长孙安世进入洛阳城当说客，向王世充讲述了窦建德为何失败，并且游说王世充投降。在李世民的种种安排之下，王世充和将士们全都人心惶惶，大家纷纷主张投降。后来，李世民保证王世充投降之后性命无忧，王世充这才决定投降。至此，中原的窦建德和王世充都被李世民平定了，大唐王朝在中原的地位更加不可撼动。
李世民用了将近一年的时间，才结束了洛阳和虎牢关的战斗。在王世充和窦建德都被铲除之后，大唐王朝的势力越来越强大，李唐统一天下的日子也越来越近了。在这一战中，李渊派出了大量兵马，李世民的表现无人能及。至此，在大唐王朝内部，李世民的威望越来越高，达到了巅峰。在洛阳城里，街头巷尾，老幼妇孺，贩夫走卒，只要提起李世民，全都钦佩不已。
进入洛阳后，李世民给老百姓发放粮食，收买人心，又严厉惩治了那些为非作歹、吃里爬外的人，稳定了洛阳的局势。此外，李世民还把被王世充抓入监狱里的很多人都放了出来，并且举行了仪式，祭奠那些被王世充残害致死的人。做完这一切之后，李世民押解窦建德和王世充回到长安，窦建德被斩首，王世充被发配四川。遗憾的是，王世充尽管侥幸活了下来，却在去往四川的路上被仇人追杀，丢了性命。