不久因长堤所限，李世民和众骑兵走散唯有秦叔宝紧紧跟随着李世民，几名王世充的骑兵追上来，李世民的坐骑中箭倒毙，秦叔宝调转马头向回骑，射击追赶的郑兵，箭无虚发，追兵不敢向前。
于是秦叔宝下马将自己的坐骑让给李世民，自己在马前步行，手执长刀跳跃大喊斩杀几人，冲出王世充军阵，得以回归唐军大部队。
王世充也率领部下殊死战斗，军队几次三番打散后重又集合起来，从早晨直到中午，王世充的军队才退军。
在最后的交战中，段志玄奋力与王世充的士卒交战，深入敌阵，坐骑倒下，段志玄被王世充的士兵俘获，两名骑兵夹着他并抓住他的发髻，准备过河，段志玄奋勇跳起，那两名骑兵都掉下马来，段志玄骑上马奔回唐军，后面有几百名骑兵追赶，但不敢靠近。
李世民于是下令让大军朝洛阳进发，行台仆射屈突通、赞皇公窦轨带兵巡行营屯，突然与王世充遭遇，交战失利，节节败退。
眼看着屈突通、窦轨的大军将要溃败之时，李世民带领其三千玄甲军救援，王世充大败，唐军俘获王世充的骑将葛彦璋，俘虏歼灭了六千多敌人，王世充仅带着数百人逃跑回洛阳城，阻挠唐军朝洛阳进军的计划再次失败。
每次作战，李世民都亲自披上黑甲率领玄甲军作为先锋，乘机进击，所向披靡，令敌人畏惧。
击退王世充的兵马后，李世民继续率大军向洛阳进军，最终包围了洛阳宫城，城中王世充的防御十分严密，大炮可以射五十斤重的石头，投出二百步远，有八个弓的弩，箭杆像车辐，箭镞如同臣斧，可以射五百步远。
李世民四面攻城，昼夜不停，十几天未能攻克。城中先后有数十人想以城倒戈唐军，均没有来得及发动，就被王世充杀死。自从王世充到洛阳以来，还没人能够在他眼皮底下发动过阴谋。
苦战多时后，唐军将士都疲惫不堪想回关中，总管刘弘基等人请求班师回朝，李世民道：“如今大举而来，应当一劳永逸。洛阳以东的各州已望风归服，唯有洛阳一座孤城，其势已不能持久，成功在即，怎么能放弃而回朝呢？”
于是下令全军：“洛阳不破，决不回军，再有胆敢提起班师的一律斩首。”
众人才不敢再提班师一事。高祖听说后，也下密敕让李世民还军，李世民上表说明洛阳必定可以攻克，又派参谋军事封德回朝面陈军前形势。
封德彝对李渊道：“王世充得到的地方虽然多，但都不过是略有联系的部属，实际号令所能管辖的只不过洛阳一城而已，他已经智尽力穷，克城之日就在近期之内。现在如果回师，他的势力就会重新振作起来，再加上各地互相联合，以后想要消灭他就难了！”
于是李渊听从李世民的建议。李世民写信给王世充，晓以祸福利害，王当世充没有任何回复。
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