北定刘武周后，李世民并未休息多久。同年六月，李渊决定东进洛阳以取中原，一举统合天下。如此大规模且重要的战役，李渊自然全权交给李世民指挥。此次，李世民展现出了在战略层面上指挥大规模兵团作战的能力。
为了合围洛阳，他命罗士信率前军围洛阳西郊慈涧,史万宝自宜阳(今河南宜阳)向南据龙门,以绝王世充的山南之路。刘德威自太行东围河内(今河南沁阳),王君廓自洛口(在河南巩县境内),以断王世充的粮道。黄君汉自河阴迂回攻洛城(在河南孟津县境)，自己则带大军屯于北邙山(洛阳北),连营以逼洛阳城。经过四个月的持续交战，王世充所辖州县渐渐被唐军侵蚀。在邙山一战中，李世民率军斩首三千。遭遇大败的王世充仅以身幸免，逃回洛阳。中原州县听闻消息，纷纷归降李唐治下。但是，面对坚固的洛阳城，唐军旬逾难下。
与此同时，王世充请求窦建德前来解围。思唇亡齿寒，窦建德率十万大军压迫李世民撤军并归还王世充原有的州县。如此一来，李世民将单纯的围歼战役，就变成了围点打援。他一面命李元吉掘堑壕、筑阵地，围死洛阳城。一面亲自率骁勇3500人急趋虎牢关。在当时，唐军已经疲敝思归乡，众将领也进言放弃洛阳暂且回关内。可以说，李世民此次的战略决策是十分冒险的。如果稍有不慎，李唐将伤及筋骨。不过，李世民并非单纯的逞匹夫之勇。为了一击制敌，他先派人绝其粮道，又扼守虎牢关。次年五月，李世民又命人在河滩边上牧马，以吸引窦建德率军出击。
果不其然，窦建德全军袭来。在高处观望的李世民一眼就看穿了窦建德军队的弱点。当时，敌军几经断粮，仗着兵力优势贸然一字排开进军。观望一阵后，他命宇文士率三百骑兵吸引敌军注意力。当窦建德军开始躁动后，李世民亲率精锐铁骑直插敌军核心。此役，李世民率军斩杀三千余人，俘获五万人，这当中更是有敌军首领窦建德。交战结束后，李世民押着窦建德来到洛阳城下，招降王世充。就这样，经过三场战役，李世民帮助李唐夺取关中、巩固关中并进军中原，最终如他后来回忆那般''二十四而定天下''。
