此时李世民正率领精锐骑兵在北邙山之宣武陵上观察阵势，与左右亲信说："这是王世充最后的家底了。他妄想在这次侥幸一战中获胜，苟延残喘。如果今日将其击破，那么他以后再无力也无胆出城作战了"。遂传命屈突通率领步兵五千先行渡水攻击郑军阵营，并郑重告诫屈突通，双方一旦交战，马上施放狼烟。
屈突通搭建浮桥渡河，占领滩头阵地后，第一时间放起狼烟，李世民遂率玄甲军南下，身先士卒，双方马上展开混战。李世民为了探察王世充阵营薄厚（阵法从本质上说是一种防御战术，目的是消耗对方战斗人员的有生力量。如果是成千上万人的大规模战斗，军阵就要求具有很大的"缓冲力"、"弹力"、"耐力"，不能够退缺、瓦解甚至崩溃。要不然就会牵一发而动全身，拉跨整个军团。因此薄的阵地容易突破，厚的阵地不容易突破。李世民勘察阵营薄厚，就是想知道在随后的攻坚战中己方的攻击力度能否突破郑军的防御极限。如果不能突破，士气衰竭，那么就会被郑军趁势反攻，后果不堪设想），带领几十个骑兵绕到王世充阵营后，走到一道长堤前折返，却发现混战中从骑已经走丢，身边只有丘行恭一骑。
继而王世充望见李世民，也率领数骑来追，李世民坐骑被流矢射中而亡，丘行恭张弓搭箭回射追兵，追兵应弦落马，不敢靠的太近。丘行恭遂下马将坐骑给了李世民，自己走在马前手执大刀带头开路，边跑边喊，边跳边杀，终于突出郑军阵营，回到唐军阵内。骠骑将军段志玄也在此役中由于深入敌后马匹倒毙而被郑军生擒，两名郑军骑兵抓着他的头发押送回城，将渡洛水之际，段志玄趁二骑不备，踊身而上，将二骑拉入马下，夺一匹马跑回唐军阵营，追兵数百骑，不敢逼太近。
李世民回到本营，双方正式的决战开始了。李世民亲率玄甲军前锋冲击，王世充亲率排?（一种铁柄短矛）兵殊死抵抗，双方经过四轮血腥攻坚，从上午九点一直战到下午三点，王世充阵营终于被突入，郑军撤兵回城，唐军纵兵掩杀，俘虏斩杀七千余人，大军直抵洛阳城下。
