但诡异的一幕出现了，人数占优的瓦岗军反而没占便宜，裴行俨、程咬金全都身受重伤，单雄信貌似没有出兵相助，此外"密骁将孙长乐等十馀人皆被重创"。第二天凌晨，王世充派军队潜入北邙山，未等瓦岗军成列，就抢先发起猛攻。结果"密众大溃，其将张童仁、陈智略皆降"。
此时李密所部在北邙山正与王世充激战，但近在偃师驻扎的单雄信却按兵不动，要知道他率领的外马军也是一支精锐，人数也不少。李密见无法取胜，"与万馀人驰向洛口"。李密准备收拾残兵败将，趁着王世充渡洛水的时候"半渡而击"，结果"比将出战，世充军悉已济矣"。
此时，单雄信正式表明立场，背叛李密，投降王世充。史书记载，"单雄信等又勒兵自据，密自度不能支，帅麾下轻骑奔虎牢，元真遂以城降"。至此李密彻底遭到失败，在邙山之战中，单雄信确实坑了他。单雄信先是在激战时按兵不动，接着又勒兵自据，让李密无法进入洛口城。
