此时，国子祭酒凌敬劝窦建德率主力渡黄河，攻取怀州(今河南焦作沁阳)、河阳(今河南焦作孟州南)，再越太行，攻上党(今山西长治)，占领汾(汾阳)、晋(太原)，向蒲津(今陕西大荔东)进军，迫使唐军回救关中，以解洛阳之围。而窦建德部将多受王世充使者贿赂而主张救援洛阳，结果未用凌敬建议。
这时，李世民得到窦建德企图趁唐军饲料用尽牧马于黄河北时袭击虎牢的情报，便决定将计就计。于五月初一率部分士兵过河，从南面逼近广武，观察窦军形势，留马千余匹在河中沙洲放牧，以诱窦建德出击。次日，窦军果然倾巢而出，在汜水东岸布阵，北依大河，南连鹊山(今河南荥阳西南)，正面宽达二十里，擂鼓挑战。李世民率军在汜水西岸列阵相持，登高瞭望敌阵，决定按兵不动，另派小部队与窦军周旋，同时派人将留在河北的人马召回，待窦军气衰，再一举将其击破。
时至中午，窦军士卒饥疲思归，全部坐在地上，又争抢喝水，秩序紊乱。李世民立即命宇文士及带三百骑兵经窦军阵西而南，先行试阵，并告诫他说:“窦军如严整不动，即应回军，如阵势有动，则可引兵东进。”宇文士及部经窦军阵前时，窦军阵势果然动乱。李世民见时机成熟，遂下令出击，亲率轻骑冲锋，主力继进，东涉汜水，直扑窦军大营。窦建德君臣正在议事，唐军突临。窦军未及列阵抵抗，被迫东退。唐将窦抗率部紧追，交战不利。李世民即率骁将史大奈、程知节、秦叔宝、宇文歆等精锐突入其阵，从阵后展唐旗，窦军士卒迅速崩溃。唐军追击三十里，斩首三千余级，俘虏万人。窦建德中槊受伤，被唐车骑将军白士让、杨武威抓获，其妻曹氏和左仆射齐善行率数百骑逃回洺州(今河北永年东南)。唐军主力回师洛阳，王世充见大势已去，想突围南走襄阳，但诸将已无斗志，被迫于五月初九率众投降。
在这次战役中李世民避锐击惰，利用骑兵快速突袭，出阵后威慑敌军，使其猝不及防而溃，并乘胜迫降洛阳之敌，一举两克，为统一全国取得了关键性的胜利。
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