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。
就在洛阳围困战进入关键之时，河北的窦建德亲率十余万大军，号称三十万，一路南下前来救援王世充，大军抵达酸枣，兵锋直指虎牢关，唐军瞬间陷入腹背受敌的险境。军中谋士萧瑀、屈突通、封德彝等人见状，纷纷向李世民进言，认为唐军久攻洛阳不下，又遭遇窦建德大军夹击，局势凶险，并非万全之策，一致请求李世民率军退守谷州，静观形势变化，再做打算。
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