武德三年即公元620年春正月底，因为父亲在窦建德那里而暂留在他那里的徐世勣逃回长安。二月二十（甲寅），唐高祖李渊杀了阴谋反叛的表弟独孤怀恩及其党羽。四月下旬，秦王李世民带兵在介休打败刘武周的大将宋金刚，接着招降了守卫介休的尉迟敬德和寻相，彻底平定了并州的动乱。

四月二十七（庚申），唐怀州总管黄君汉带兵在西济州出击王世充的太子王玄应，并击溃了他。熊州行军总管史万宝又在九曲截击他的余部，再次打败他。

次日，王世充攻陷邓州。

唐高祖听说收复了并州，非常高兴。四月二十九（壬戌），唐高祖宴请群臣，赐给他们缯帛，让他们自己到御府去随便取去。他还恢复了唐俭的官爵，仍然任命他为并州道安抚大使，还将所籍没的独孤怀恩田宅和资财，全部赐给他。

李世民留下李仲文镇守并州。逃到突厥的刘武周多次带兵入寇，但都被李仲文立即击退。李仲文还攻下了周围的一百多座城堡。唐高祖下诏任命李仲文代理并州总管。

五月，窦建德派高士兴到幽州出击李艺，但无法取胜，只好退驻笼火城。李艺率军袭击，击溃了他，还杀了五千人。窦建德手下的大将军王伏宝，勇猛和谋略全军第一，其他将领们都嫉妒他，因此共同诬陷他谋反。窦建德居然杀了他。王伏宝临死时说：“大王怎能听信谗言，自己砍了左右手！”

当初，尉迟敬德带兵帮助吕崇茂守卫夏县。唐高祖暗中派人去赦免吕崇茂的罪，拜他为夏州刺史，让他除掉尉迟敬德。后来事情泄漏，尉迟敬德杀了他。尉迟敬德离去后，吕崇茂的余党重新占据了夏县拒守。秦王李世民带军从晋州回来攻打夏县。五月二十（壬午），李世民攻克夏县，屠杀了守城的军民。

五月二十九（辛卯），李世民回到长安。

这月，突厥派阿史那揭多献马一千匹给王世充，并向他求婚。王世充把宗室的女儿嫁给他，并和突厥人互通贸易。

六月初一（壬辰），唐高祖下诏，任命和州总管和东南道行台尚书令楚王杜伏威为使持节、总管江淮以南的军事、扬州刺史、淮南道安抚使，进封吴王，赐姓李氏。他还任命辅公祏为行台左仆射，封舒国公。

六月十五（丙午），唐高祖立皇子李元景为赵王，李元昌为鲁王，李元亨为丰王。

显州行台尚书令楚公杨士林，虽然接受了唐的官爵，却暗中北结王世充，南通萧铣。唐高祖下诏派庐江王李瑗和安抚使李弘敏出兵讨伐他。大军尚未出动时，杨士林的长史田瓒因为一贯遭到他的忌恨，于六月二十三（甲寅）杀了杨士林，投降王世充。王世充于是任命田瓒为显州总管。

秦王李世民出讨刘武周时，突厥的处罗可汗派他弟弟步利设率领二千骑兵协助唐军。刘武周失败后，处罗可汗在这月来到晋阳。并州总管李仲文无法控制他。处罗可汗又将伦特勒留下，让他带着几百人，名义上是帮助李仲文镇守并州。自石岭以北，他都留下突厥兵马卫戍，然后才离去。

唐高祖和群臣商议要出讨王世充。王世充得悉后，挑选各个州镇的骁勇，让他们全部集中到洛阳，然后设置了四镇将军，招募人马分别守卫四座城池。七月初一（壬戌），唐高祖下诏派秦王李世民督令各路大军出击王世充。陕东道行台屈突通的两个儿子还在洛阳，唐高祖跟他说：“现在想派爱卿东征，但爱卿的两个儿子该怎么办？”屈突通说：“臣当年成为被俘的囚徒，那时本就该死了。陛下亲自为我松绑，不但放了臣，还施以恩惠和厚礼。就在那时，臣心里和口头都发誓，要在自己重生的余年，为陛下尽忠尽节，只是担心没有效死的机会罢了。今天得以成为东征先驱，两个儿子哪里还顾得上了！”唐高祖叹道：“舍身取义的人士，竟能做到这样！”

七月初二（癸亥），突厥暗中派一大帮人去见王世充。唐潞州总管李袭誉截击他们，俘虏了牛羊数以万计。

唐骠骑大将军可朱浑定远向朝廷报告说：“并州总管李仲文暗中和突厥通谋，想等到陛下派兵东征洛阳时，引来突厥胡骑直接进入长安。”七月十三（甲戌），唐高祖命令皇太子李建成出镇蒲坂，防备万一，又派礼部尚书唐俭去安抚并州，同时取消了并州总管府，内征李仲文入朝。

七月二十一（壬午），秦王李世民率军抵达新安。王世充派魏王王弘烈镇守襄阳，荆王王行本镇守虎牢，宋王王泰镇守怀州，齐王王世恽代理镇守南城，楚王王世伟镇守宝城，太子王玄应镇守东城，汉王王玄恕镇守含嘉城，鲁王王道徇镇守曜仪城，王世充自己带领战斗部队，左辅大将军杨公卿带领左龙骧二十八府骑兵，右游击大将军郭善才带领内军二十八府步兵，左游击大将军跋野纲带领外军二十八府步兵，总共三万人，以防备唐军。王弘烈和王行本都是王世充三哥王世伟的儿子；王泰是王世充兄长的儿子。

同时，梁师都引来突厥和稽胡的兵马入寇，行军总管段德操打败了他们，杀了一千多人。

再说，罗士信率领前军包围慈涧，王世充亲自带领三万大军前来相救。七月二十八（已丑），秦王李世民亲自带领轻骑前去侦察王世充的虚实，结果突然和他们遭遇。李世民众寡不敌，道路又险要狭隘，因此被王世充包围。李世民飞马驰骋，左右开弓，还擒获了王世充的左建威将军燕琪。王世充只好退走。李世民回到军营，满脸都是尘土。士兵们认不出他，拦住不让进营。李世民脱下甲胄头盔，并跟他们解释，才得以入营。次日一早，他率领步骑五万进军慈涧。王世充撤了慈涧的卫戍，退回到洛阳。李世民派行军总管史万宝从宜阳往南占据龙门，派将军刘德威从太行山往东包围河内，派上谷公王君廓到洛口断了洛阳的粮道，派怀州总管黄君汉从河阴出兵攻打回洛城。李世民的大军驻扎在北邙，连营紧逼洛阳。王世充的洧州长史繁水人张公谨和刺史崔枢在州城来降唐军。

八月初七（丁酉），南宁西蛮派使者入朝进贡。当初，隋末的蛮人酋长爨玩反叛，后来被杀了，他的儿子们被籍没成为官府的奴仆，失去了他们的领地。唐高祖即位后，任命爨玩的儿子爨弘达为昆州刺史，让他带着父亲的尸体归葬南宁。益州刺史段纶趁机派使者去招谕他们的部落，蛮人于是纷纷前来投降。

八月初九（已亥），窦建德的共州县令唐纲杀了刺史，在共州来降唐朝。邓州土豪也捉了王世充任命的刺史，前来降唐。

八月十三（癸卯），梁师都的石堡留守张举带领一千多人来降唐朝。

八月十四（甲辰），唐怀州总管黄君汉派校尉张夜叉率领舟师袭击并占领了回洛城，还俘获王世充的守将达奚善定，并切断了河阳南桥，然后撤退回来。他还降服了当地的二十多座民间堡垒。王世充派太子王玄应率领杨公卿等人攻打回洛，但无法攻克，只好在城西面修筑了月城，留下士兵卫戍。

王世充在青城宫前布阵，秦王李世民也布阵和他对抗。王世充隔着河水跟李世民说：“隋室倾覆，唐人在关中称帝，我在河南称帝。我王世充未曾西侵，大王却忽然举兵东来。这是为何？”李世民让宇文士及回答道：“全国民众都景仰皇风，只有你阻止大唐的声威和教化。我们正是为此而来！”王世充说：“我们互相停息兵戈，讲和结好，不是很好吗！”宇文士及又回答道：“我们奉诏攻取东都，朝廷不允许我们讲和结好。”到了天黑，双方各自撤退回去。

唐高祖派使者和窦建德连和，窦建德则派同安长公主跟随使者回长安。

八月二十五（乙卯），刘德威袭击怀州，攻入外城，还攻下了他们的许多民间堡垒。

九月初十（庚午），梁师都的部将刘旻在华池来降唐朝，唐高祖任命他为林州总管。

九月十三（癸酉），王世充的显州总管田瓒带领所部二十五州来降唐朝。此后，王世充派往襄阳的王弘烈和王世充断绝了音信。

史万宝接着进军甘泉宫。九月十七（丁丑），秦王李世民派右武卫将军王君廓攻打并占领了轩辕。王世充派部将魏隐等人反击王君廓。王君廓假装败退，设伏等待魏隐，接着击溃了他，于是继续往东攻城略地，直到管城后才回来。先前，王世充的部将郭士衡和许罗汉到唐朝的境内劫掠，王君廓用计策把他们打退。唐高祖为此下诏慰劳他说：“爱卿以十三人打败贼兵一万。自古以来，以少制众，还从未有过这样的先例。”

王世充的尉州刺史时德睿带领他管辖的杞、夏、陈、随、许、颍、尉七州来降唐朝。秦王李世民承制，依照王世充原有的署任继续任命那里的州县长吏为唐朝的官吏，基本没有变动，同时将尉州改为南汴州。于是河南各个郡县也相继来降。

刘武周的降将寻相等人多数都叛逃离去。唐朝将领们怀疑尉迟敬德也会这样，便将他囚禁在军中。行台左仆射屈突通和尚书殷开山跟李世民说：“尉迟敬德骁勇绝伦。现在将他囚禁了，他心里必然怨恨。留下他恐怕会成为后患，不如干脆杀了他。”李世民说：“不行。尉迟敬德如要反叛，岂能在寻相之后！”当即下令将他放了，还请他来到自己的卧内，赐给他黄金，说：“大丈夫要以意气相期，千万不要介意这小事。我绝对不会轻信谗言而杀害忠良，你应该了解这点而体谅我。如果你一定要走，这黄金就作为我资助你的路费，表达我们这段时间相处的情谊。”

九月二十一（辛巳），李世民带领五百骑兵巡视交战的地带，登上北魏宣武帝（元恪）的山陵。王世充率领一万多步骑突然出现，于是包围了李世民他们。王世充的大将单雄信手执长槊，直接冲向李世民，说时迟那时快，尉迟敬德跃马大喊，横冲出来，一枪将单雄信刺下马去。王世充的士兵稍稍退却，尉迟敬德于是护卫着李世民杀出重围。李世民和尉迟敬德接着率领骑兵发动反攻，出入王世充的阵容，往返如入无人之境。屈突通率领大军继进，结果王世充大败，仅仅逃得性命而已。唐军还生擒了王世充的冠军大将军陈智略，杀了他们一千多士兵，俘获了六千排槊兵。李世民跟尉迟敬德开玩笑说：“你报恩也太快了吧！”于是赐给他金银一箧，从那时起对他的恩宠日益加隆。

尉迟敬德作战时善于躲避刀枪。他每次单骑冲入敌阵时，敌兵纷纷向他猛刺，但居然都伤不到他，他还能夺下他们的长矛，反过来刺杀他们。齐王李元吉以自己擅长马术自负。他听说尉迟敬德武艺高强，便请求各自使用去掉刀刃的长槊，要跟他较量胜负。尉迟敬德说：“我尉迟敬德会小心去掉刀刃，但大王不必麻烦。”后来李元吉和他较量时，总无法刺中他。秦王李世民问尉迟敬德道：“夺槊和避槊，哪个更难？”尉迟敬德说：“夺槊更难。”李世民因此让尉迟敬德去夺李元吉的长槊。李元吉操槊跃马，一心想刺中尉迟敬德，但尉迟敬德没多大工夫就三次夺了他的长槊。李元吉虽然表面上也表示惊叹，其实内心为此感动耻辱。

这期间，反叛的胡人攻陷了岚州。

当初，王世充任命邴元真为滑州行台仆射。濮州刺史杜才幹是李密的故将。他痛恨邴元真背叛李密，便假装要带着他的部众投降他。邴元真仗恃他的官势，亲自前往招慰。杜才幹出来迎接，请他到州府就座，然后拿下他，历数了他的罪行，说：“你本来不过是个庸才，魏公却把你当作高级僚佐。你不但没有建立丝毫功劳，反而犯下背叛他的滔天大罪。今天你前来送死，是你罪有应得！”于是杀了他，然后派人带着他的首级到黎阳去祭奠李密的坟墓。九月二十二（壬午），杜才幹在濮州来降唐朝。

突厥的莫贺咄设入寇凉州，总管杨恭仁带兵出击，结果被突厥人打败。突厥人劫掠了数千民众后离去。

九月二十六（丙戌），唐高祖任命田瓒为显州总管，赐爵蔡国公。

十月初五（甲午），王世充的大将军张镇周来降唐朝。

十月十五（甲辰），行军总管罗士信袭击并攻占了王世充的硖石堡。罗士信又包围了千金堡，堡中守军大骂他。罗士信在夜里派一百多人扮作百姓，抱着几十个婴儿来到千金堡下，让婴儿们啼哭呼号。这些人假装说：“我们是从东都过来投奔罗总管的。”接着他们互相间又议论道：“原来这是千金堡。我们搞错了。”当即离去。堡中守军以为罗士信已经离去，刚才那些人是从洛阳叛逃出来的，便出门追赶。罗士信带兵埋伏在路旁，等到他们开了堡门，就冲了进去，把里面的人全都屠杀了。

窦建德包围幽州时，李艺向高开道告急。高开道带领两千骑兵去救他，窦建德因此撤离了幽州。高开道这时通过李艺派使者前来降唐。十月十九（戊申），唐高祖任命高开道为蔚州总管，赐姓李氏，封北平郡王。高开道的脖子里留着箭头，他找来个医师要把它取出来。医师说：“箭头太深，取不出来。”高开道大怒，当场杀了他。他又找了另一个医师，医师说：“取出来恐怕会很痛。”高开道居然把他也给杀了。高开道找来第三个医师。医师说：“可以取出。”于是凿开骨，钉入一个楔子，骨头裂开了一寸多，但到底还是把箭头给取了出来。在整个手术过程中，高开道照样听着乐伎奏乐，不停地吃东西。

窦建德率领二十万大军重新进攻幽州，他的士兵都已经攀上了矮墙。薛万均和薛万彻率领一百多敢死队从地道里杀出，袭击窦建德大军的背后，结果窦建德全面溃败，阵亡了一千多人。李艺带兵乘胜紧逼他的兵营。窦建德在营中布阵，填了壕堑，冲了出来，奋勇反击，因此打败了李艺。窦建德乘胜追击，直赶到幽州城下，但无法攻克，只好撤退回去。