武德三年（公元620年）七月，秦王李世民统筹调度关中及各路精锐大军，全线出兵攻打盘踞东都洛阳的割据势力王世充，唐军主力浩浩荡荡开赴前线，在谷州安营扎寨，摆开长期作战的架势。王世充得知唐军来攻，亲自率领三万精兵，赶赴慈涧一带列阵迎战，企图凭借优势兵力阻挡唐军东进。李世民深知敌军虚实，亲率一支轻装骑兵前往慈涧，试探敌军实力、引诱其出兵。

交战之初，唐军轻骑兵兵力悬殊，陷入王世充大军的重重包围之中，身边随从将士见敌军密密麻麻，全都面露恐惧，军心一度慌乱。李世民临危不乱，沉着命令左右随从先行突围归营，自己独自一人率领少数亲兵殿后，断后阻击追兵。混乱之中，王世充麾下头号勇将单雄信，率领数百精锐骑兵抄近路夹道逼近，骑兵们策马扬刀，争前恐后地围攻李世民，刀锋直逼身前，李世民数次身陷险境，险些被单雄信活捉。

危急关头，李世民镇定自若，弯弓搭箭，左右开弓，箭术精准无比，每一发箭矢射出，都有敌军应弦倒地，接连射杀数名敌军骁将，震慑住了敌军攻势。激战中，李世民还顺势生擒王世充麾下大将燕颀，极大打击了敌军士气。王世充见战局不利，担心主力受损，不敢再恋战，当即下令将慈涧驻守的军队全部撤回东都洛阳，依托洛阳城防固守。

稳住前线局势后，李世民运筹帷幄，展开全面的战略部署，切断王世充的外围支援与补给。他派遣行军总管史万宝率军从宜阳南下，迅速占据军事要地龙门，扼守洛阳南部通道；命令刘德威领兵从太行山东进，将河内地区团团包围；派遣王君廓率部突袭洛口，彻底斩断洛阳敌军的运粮通道，让洛阳陷入粮草断绝的危机。同时，又命黄君汉趁着夜色掩护，率领水军乘战船从孝水河顺流而下，偷袭回洛城，一举攻克这座战略重镇，拔掉洛阳外围重要屏障。

此番部署之下，黄河以南的各州郡县大为震动，各地州县官吏、守城将领纷纷认清形势，接连不断地举城归降唐军，王世充的势力范围迅速瓦解。李世民趁机率领大军挺进，进驻邙山，兵临洛阳城下，对东都形成合围之势。

同年九月，李世民为进一步探查洛阳周边地形与敌军布防，亲率五百名骑兵先行巡视阵地，不料在途中与王世充率领的一万多主力部队意外遭遇。敌军兵力数倍于唐军，形势骤然危急，但李世民丝毫不惧，当即指挥骑兵列阵迎战，身先士卒率军冲锋。唐军将士奋勇拼杀，再次大败王世充军队，一战斩杀敌军三千余人，俘虏王世充麾下大将陈智略，王世充丢盔弃甲，仅孤身一人狼狈逃回洛阳城。经此一役，王世充势力彻底萎靡，其部署的筠州总管杨庆当即派使者向李世民请求归降，李世民随即派李世勣率军从轘辕道出发，前往安抚接纳杨庆的部众。随后，荥、汴、洧、豫等九州相继遣使归降，王世充困守洛阳孤城，陷入外无援兵、内无粮草的绝境，无奈之下，只得暗中派遣使者，前往河北，向割据势力窦建德求救。

武德四年（公元621年）二月，李世民率领大军进驻青城宫，唐军的防御营垒还未来得及修筑完成，王世充便孤注一掷，亲率两万大军从方诸门倾巢而出，依托谷水摆开阵势，企图趁唐军立足未稳发起突袭。李世民沉着应战，立刻下令精锐骑兵在北邙山列阵，又命屈突通率领五千步兵渡过谷水，主动攻击王世充大军，临行前特意再三告诫屈突通：“等两军交战之时，立刻施放狼烟信号，我亲率骑兵南下支援，与你里外合击。”

待到两军刚一接战，狼烟瞬间升起，李世民当即率领精锐骑兵冲锋陷阵，自己挺身在前，一马当先冲入敌阵，与屈突通的步兵部队相互呼应、合力猛攻。王世充的军队深知已是背水一战，全都拼死作战，阵型多次被唐军冲散，又多次重新集结，战况异常惨烈，厮杀声震天动地。这场激战从清晨一直持续到傍晚，历经数个时辰，王世充的军队早已疲惫不堪、伤亡惨重，再也无力支撑，开始全线退却。李世民趁机指挥全军乘胜追击，一路掩杀，共计俘获、斩杀敌军八千余人，随后率军推进至洛阳城下，安营扎寨，将洛阳城彻底围困。

经此一战，王世充再也不敢出城迎战，只能下令全军紧闭城门，环城固守，死守待援，一心期盼窦建德率军前来救援。李世民随即命令各路大军环绕洛阳城挖掘深沟、修筑高垒，布置严密的包围圈，展开长期围困，彻底困死城中敌军。与此同时，吴王杜伏威全力响应唐军，派遣麾下大将陈正通、徐召宗率领两千精兵赶赴李世民军营，会合协同作战；伪郑州司马沈悦眼见大势已去，献出虎牢关向唐军投降，唐军将领王君廓及时率军接应，一举活捉伪荆王王行本，洛阳周边残余势力尽数被清除。