這一年正月底，屈突通和竇軌率部巡視各軍的營壘陣地，途中忽然遭遇王世充。唐軍猝不及防，差點被鄭軍殲滅。李世民聞訊，親率玄甲軍前往救援，大破王世充，生擒其騎兵將領葛彥璋，斬殺並俘虜了六千餘人。
二月初，由於洛陽被圍日久，糧食短缺，駐軍虎牢的王世充長子王玄應率數千人押運糧草救濟洛陽。李世民探知情報，命將領李君羨出兵狙擊。王玄應倉猝應戰，被李君羨擊潰，糧草全部落入唐軍手中，王玄應隻身逃回洛陽。
李世民覺得對洛陽發動總攻的時機已經成熟，遂遣宇文士及回朝請命。李淵批準了李世民的請求，並對宇文士及說：“回去稟告你們秦王，奪取洛陽是為了早日結束戰爭。克城之日，宮城中的乘輿法物、圖籍器械，凡不是私人物品的，由他收存保管，其餘子女玉帛，全部犒賞將士。”
李世民得命，遂於二月十三日率大軍進駐青城宮。唐軍未及修築營寨，王世充便親率二萬人馬出城攻擊。諸將皆懼，李世民命精銳騎兵在北邙山下列陣，隨後帶著各位將領登上北魏宣武陵察看敵情，對左右說：“賊兵已經到了窮途末路，這次王世充把全部兵力都投入戰場，準備決一死戰，若今日一戰破之，其後他便不敢再出城了！”於是命屈突通率五千人渡過榖水進攻王世充，隨後李世民親率騎兵衝入敵陣。
中原之戰中最為激烈的這場青城宮戰役就此打響。
為了探測敵陣的縱深程度並且打亂敵軍的陣形，李世民騎著他鍾愛的那匹通體純紫、奔跑如飛的駿馬颯露紫，在數十精騎的掩護下，像一支離弦之箭直直插入敵陣，最後竟然橫穿而出，一下打亂了鄭軍的陣腳。鄭軍士兵大為驚恐，被擊殺甚眾。可就在李世民縱橫馳騁、殺得性起的時候，一道河堤忽然擋住了他的去路。
那是榖水岸邊的河堤。李世民匆忙掉轉馬頭，準備和大軍會合。可是周圍密密麻麻全是敵軍，就連保護他的數十名騎兵也失散了。
李世民的身邊隻剩下一個將領丘行恭。
這是李世民自中原開戰以來第三次身涉險境。
敵人圍了上來，流矢紛紛射向李世民，颯露紫前胸正中一箭。危急關頭，丘行恭連發數箭，射殺了幾名敵兵，隨即翻身下馬，把自己的坐騎交給李世民，然後一手牽著颯露紫，一手執長刀，左衝右突，大聲叱喝，終於和李世民一起殺開一條血路，與趕上來的大軍會合。（颯露紫也是“昭陵六駿”之一；戰鬥結束回營後，丘行恭為其拔箭療傷，但颯露紫終因流血過多而死；李世民為其題寫的讚辭是：“紫燕超躍，骨騰神駿，氣讋三川，威淩八陣。”颯露紫陣亡後，李世民所乘的是“昭陵六駿”中的另一匹寶馬什伐赤，此馬純赤色，是來源於波斯的汗血馬；在此後繼續圍攻東都的戰役中，什伐赤身中五箭，李世民為其題寫的讚辭是：“瀍澗未靜，斧鉞申威，朱汗騁足，青旌凱歸。”）
李世民突出重圍後，王世充也迅速集結潰散的部眾，重新擺出陣形，繼續與唐軍鏖戰。
這一仗打得異常慘烈。從辰時（七時）一直激戰到午時（下午一時），鄭軍多次被唐軍騎兵衝散，可王世充卻屢屢整兵再戰，表現出了前所未有的頑強。
王世充知道，如果輸掉這一仗，今後他就隻能龜縮在洛陽城裏，被唐軍壓著打了，所以他必須全力以赴。然而，盡管王世充已經拚盡了全力，這一仗他還是輸了。
因為，鄭軍跟唐軍的戰鬥力根本不在同一個級別上，尤其是在野戰方麵。
午時過後，唐軍士兵越戰越勇，鄭軍士兵卻個個精疲力竭，開始往後潰退，再也不聽號令了。王世充萬般無奈，掉轉馬頭向洛陽狂奔。李世民乘勝追擊，一直追到了洛陽城下，總共斬殺並俘虜了七千餘人。
唐軍隨後便將洛陽團團包圍，最後一個階段的攻城戰開始了。唐軍從二月下旬開始圍攻洛陽宮城，但是最後的攻堅戰卻要比李世民想象的艱難得多。
因為鄭軍的防禦部署非常嚴密，而且還裝備了大量重型武器。比如投石機，可投擲五十斤的飛石，投擲距離達二百步。可想而知，這樣的“炮彈”發射出去，每一發都可以把人砸成肉醬。此外還有一種巨型連弩，把弓拉滿的時候形狀大如車輪，箭鏃形同大斧，每次可以連續發射八箭，射程可達五百步。在這樣一些“尖端武器”的猛烈打擊之下，雖然唐軍日夜不停地從四麵猛攻，付出了重大傷亡，但是一連打了十多天，洛陽宮城還是巋然不動。
唐軍將士筋疲力盡，以行軍總管劉弘基為首的一批高級將領紛紛請求班師。
可誌在必得的李世民堅決不同意。他說：“我們大舉進攻中原，自應奪取洛陽，此乃一勞永逸之舉。而今東方各州皆已望風歸降，洛陽隻是一座孤城，不可能堅持太久，眼看馬上就要成功，豈能棄之而去？”