武德三年七月，唐军在李世民的率领下，出关进攻王世充。才三个月的时间，洛阳周围郡县全部落入李世民手中，洛阳成了一座孤城。
在隋末各家反王里，手下将领最热衷于投降的就是王世充了，其实，在唐大举进攻之前，王的部下就已经有不少降了唐。七月，张公瑾降;八月，邓州降;九月，田瓒以所部25州降(25州啊!)，时德睿以所部7州降;十月，大将张镇周降，郭庆以管州降，魏陆以荥阳降，王要汉以汴州降。
眼看局势不利，王世充亲自出面向李世民求和，双方在洛阳城外隔着洛水谈判，王发言道，唐帝关中，郑帝河南，我没有去进攻你的关中，你为什么要进攻我的河南?李世民答道，我大唐志在四海，你挡了我的路，我为此而来。王又提议说，让我们罢兵讲和，“不亦善乎”?李答道，我爸爸只命令我来灭了你，没有授权我和你讲和。于是和谈破裂了。
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既然无法求和，王世充只得全力迎战，无奈人心已失，连战皆败，正面打不过，那只好用偷袭了。李世民作为主帅有个很不好的习惯，喜欢只带少数手下到最前线去看地形或侦察敌情。王世充早就知道李世民的这个爱好，一直都在等待合适的机会。机会在九月辛巳这天出现了，李世民只带了五百骑兵到魏宣武陵看地形，王世充立即帅步骑兵万余人前往突击，将李世民重重围困，唐军主力这时也已得知情况危急，屈突通领援兵拼命来救，但都被王部拦住。王的大将单雄信杀散李世民的卫士，直冲到李世民马前，眼看李世民就要当不成唐太宗，突然出现了一个叫尉迟敬德的奇迹，在单雄信举槊刺向李世民的一刹那从侧面把单雄信挑落马下。随后，尉迟敬德护着李世民杀出重围，终于和来接应的唐军主力会合，尉迟随即回身向王世充发起反冲击，出入王军如无人之境，士气大振的唐军跟随其后，结果反倒是王世充全军覆没，仅以身免。
这时王已失去了独自对抗唐军的能力，不得已，只好派了使者去向窦建德求援，窦与王是敌非友，王此举实为饮鸩止渴，但除此之外，再没有其他办法了。窦于武德三年十一月回信表示同意援救洛阳，但窦不怀好意，希望唐郑之间继续交战，到两败俱伤时再由他收渔翁之利，因此一直隔岸观火，不发援兵。
好在洛阳城的防御能力是极强的，守城器械里还包括了当时最强大的武器大炮飞石和八弓弩箭机，大炮飞石能将五十斤的大石掷二百步，杀伤力极强;八弓弩箭机则强大到夸张的程度，“箭如车辐，簇如巨斧，射五百步”，靠了坚城利“炮”，王世充在守城战中获得了成功。但是，象当年李密围城时一样，洛阳的粮食又快用完了。王世充决定在断粮前全力一搏，希望能重现上次击败李密的奇迹，于是，王军在武德四年二月开城出击，不知是否巧合，王军出击的人数与当年破李密时相同，也是二万。两军在洛阳城下血战，王世充和李世民都亲自上阵，王军在此战中斗志极高，死战不退(王的部队基本上是以隋朝的禁卫军--骁果为班底的，战斗力极强)，给唐军造成很大伤亡，连李世民都险些阵亡，大将段志玄一度被俘，可惜王军最后仍然不敌唐军，在战死七千人后不得不撤回洛阳。这一战是唐郑之战中最惨烈的一战，也是王世充最后一次战略出击。此战之后，王世充只有咬牙死撑，每日里除了拼命守城，就是望眼欲穿地盼望窦的援军。
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接下来就是著名的武牢关大战了，没错，不是虎牢关而是武牢关，呵呵，虎牢是武周代唐后改的，但为了大家的习惯，下面还是称虎牢关吧。
翌年三月，就在攻守双方互拼耐力之时，夏王窦建德认为卞庄刺虎的机会成熟了，窦建德亲率夏军主力向洛阳进发，兵力达到十余万，号称三十万。夏军一路攻克唐军占领的郡县，于当月到达洛阳东侧的虎牢关外。唐军将领大为恐慌，包括萧禹、屈突通、封德蠡在内的重臣大将纷纷请求李世民暂避锋芒，李世民认为虎牢关易守难攻，窦军短期内绝无可能与城内王军汇合，这正是各个击破的好时机，绝对不可功亏一篑。于是李世民留李元吉领一半兵力继续围城，自己率另一半兵力赶去虎牢关迎击窦建德。李世民就在大白天堂而皇之的撤走一半兵力去虎牢关增援，王世充在洛阳城头看在眼里，明知援军已到，却没有能力出城接应，夹击唐军，取胜的机会就这样被错过了。如果窦建德在二月到达，王世充的二万子弟兵出城夹击，不知局势会是如何。如今王军已丧失战斗力，使唐军可以轻松调主力迎击窦军，王世充心中不知是何滋味。当时唐军已经久战疲乏，见夏军势大，普遍心生畏惧。为了激励士气，李到达虎牢的次日就亲自出马要给窦建德一个下马威。
当天，李带了亲卫队五百骑出关去探窦的大营，两地间距离二十余里，李将所带兵马安排在沿途各处险要之地埋伏，伏兵分别由李世绩、秦叔宝、程知节率领，而李自己只带了尉迟等四骑，五个人大摇大摆就直奔窦建德大营。这实在是太疯狂了，简直是拿性命开玩笑，不过李世民是很有信心的，他对尉迟吹嘘说，我持弓箭，你用马槊，咱们走在一起，即便来千军万马也奈何不得，如果敌人见到我就跑掉，那算他们聪明。五个人离窦军还有三里时遇到了敌人的流动哨，李世民跳将出去，大喝一声，我乃秦王李世民也!一箭干掉了对方带头的小将。窦军中大惊，虽然不信真是李世民，但还是出动了五六千骑兵杀将出来。五人组中无名的那三个吓得面目变色，李世民命他们先撤，自己则和尉迟二人殿后。这二人的组合果然威力惊人，敌骑追在最前的一定中箭毙命，所以敌人不敢逼近(看来窦建德真是缺乏勇将)。从窦军的角度考虑，虽然不敢太靠前，但又不甘心就此回去，所以就不知不觉地被引入了李世民事先安排的埋伏。李世绩等人带了伏兵杀出，窦军仓皇而逃。