此时，已李渊攻占长安，并派其家僮去招降屈突通，屈突通当即将家僮杀死，屈突通闻长安已失，家属都被李渊所俘，便命桑显和镇守潼关，自率主力东去，准备去洛阳投奔越王杨侗。屈突通刚走，桑显和便献潼关降于刘文静，刘文静派副将窦琮、段志玄等率精骑与桑显和去追击屈突通。屈突通在稠桑为刘文静军追上，遂结阵自守，窦琮派屈突通的儿子屈突寿去劝说他，屈突通骂道：“往昔与你是父子，就是仇敌了。”并命令身边的人用弓箭射屈突寿。
桑显和对屈突通的部众说：“京师陷落，各位都家住关西，为何还要向东去？”众人闻听此言，全都扔掉兵器投降。屈突通见大势已去，下马向东南方向再三跪拜，并号哭道：“臣力尽兵败，没有辜负陛下，天地神只，实所鉴察。”遂被迫归降，擒送长安。与李渊见面后，李渊问道：“为何相见得这么晚呢？”屈突通哭道：“我未能尽人臣的忠节，所以到了这个地步，让本朝蒙羞，实在是愧对代王。”李渊对他的行为赞赏不已：“这是隋朝的忠臣啊。”下令将屈突通释放，并授兵部尚书，封蒋国公，为秦王李世民行军元帅长史。
屈突通归降后，即奉命到河东城下招降尧君素归降，尧君素看到屈突通，欷不自胜，屈突通也泪湿衣襟，他对尧君素说：“我军已经失败，唐王义旗所指之处，无不响应，事情已到了如此地步，你还是早些归降为好。”但尧君素态度坚决：“您身为国家大臣，主上委任您以防卫关中的重任，代王将社稷都托付给您了，您为什么背弃国家而投降呢？还替人家作说客呀！您所乘之马，就是代王赏赐的，您还有什么脸骑着这匹马呢！”屈突通叹息道：“唉！君素，我是力尽图穷才来的！”但尧君素不听，说道：“我的力量还未用尽，何必再多说！”屈突通无奈，只好退走。
李渊在长安称帝，割据陇西的西秦霸王薛举病亡，其子薛仁杲继位，李渊命李世民率军进攻薛仁杲，屈突通作为李世民的行军元帅长史，也随军出战。李世民在浅水原大败薛仁杲军，斩首数千级，并乘胜追击，包围折摭城，迫降薛仁杲。当时珍宝堆积如山，诸将都争相夺取，而屈突通却秋毫不犯，唐高祖闻知此事后，对屈突通说：“你清正奉国，着自终始，名下定不虚啊。”特赐金银六百两、彩物一千段。
正当唐朝谋进兵中原，刘武周在突厥支持下向唐河东发动进攻，攻城略地，多次击败唐朝援军，关中震骇。李世民率兵征讨刘武周，屈突通也随军前往，刘武周军战败，李世民率军追击，数次大败其军，彻底消灭刘武周割据势力。此时，刘武周大将尉迟敬德前来归降，尉迟敬德作战勇猛，多次战败唐军，李世民对尉迟敬德的归降非常高兴，但屈突通怕尉迟敬德会反复，所以出于李世民的安全，多次向李世民提起此事。
后来，刘武周部将大多又叛唐而去，唐军诸将怀疑尉迟敬德也会叛离，将他囚禁在军中，屈突通与尚书殷开山又向李世民进言道：“尉迟敬德刚刚投降，思想感情还没有归顺，这人非常勇猛剽悍，关押的时间又长，已被我们猜疑，必然产生怨恨。留着他只怕会留下后患，请立即杀了他。”虽说李世民未听屈突通之言，但对屈突通的忠心还是非常感动的。
洛阳王世充称帝，利用唐军无暇东顾之机，夺取了唐在河南的部分州县；河北窦建德实力增强，多次击败在河北的隋、唐军。于是，唐高祖决定进兵中原，采用先郑后夏，各个击破的方略，命李世民领八总管二十五将，统兵八万余东击王世充，屈突通以本官判陕东道行台仆射，从李世民讨王世充。当时，屈突通的两个儿子们都在洛阳，唐高祖想探试他的心意，便函对他：“东征的事情，如今想委托给你，但是你的两个儿子怎么办呢？”屈突通回答说：“此行臣愿意作为前驱，两个儿子如果因此而死，那是他们的命，臣不会以私情妨碍公义。”唐高祖感叹道：“烈士为保全节操而死，我是见到了。”
李世民攻占东都外围重地慈涧，王世充退保东都，李世民决定先扫清洛阳外围然后攻城。李世民率五百骑巡视战场，至魏宣武帝陵时，被突然而至的王世充所率万余步骑兵包围，王世充骁将单雄信挺槊直逼李世民，唐将尉迟敬德及时跃马大呼，横刺单雄信落马，王世充军稍退。尉迟敬德护卫李世民杀出重围，此时屈突通已闻讯率大队唐军赶到，大败王世充军，活捉其冠军大将军陈智略，斩首一千余级，俘排稍兵六千，王世充只身逃脱。
屈突通与赞皇公窦轨带兵巡营，猝与王世充军遭遇，交战不利，李世民即率玄甲队驰赴救援，大败王世充军，俘其骑将葛彦璋，斩俘六千余人，王世充逃回洛阳。李世民移军青城宫，营垒未就好，王世充即率军2万出洛阳方诸门，凭借旧马坊墙垣沟堑，依托谷水抵御唐军，唐诸将皆惧。李世民登北魏宣武帝陵观察敌情，见王世充悉众而出，遂抓住战机，命屈突通率步卒5000渡谷水进击，并令其“兵交则纵烟”。交兵后，屈突通令部下放烟，李世民见烟起，亲率骑兵南下，与屈突通合力奋击，王世充也率部殊死抵抗，其部多次被唐军冲散，又迅即聚合。双方激战半日，王世充被迫退兵，李世民纵兵追击，直到城下，斩俘七千人，趁势包围洛阳，王世充只得据城自守。
唐军将要围攻洛阳时，王世充便派使者向窦建德求救，窦建德遂率十余万大军西援洛阳，进屯虎牢东广武山，并在板渚筑宫，与王世充相呼应，威胁唐军侧背。面对洛阳坚城未下、窦军骤至的危急情况，李世民召集众将商议对策，屈突通、萧瑀、封德彝等多数人认为：“我军疲惫不堪士气低落，王世充凭借坚城固守，不容易很快攻克，窦建德挟胜利之势而来，士气高涨锐不可挡，我军腹背受敌，不是好办法，不如撤退保守新安，以便等待时机。”但李世民最终采纳了宋州刺史郭孝恪、记室薛收的建议，决定扩大战役范围，采用围城打援的战法，以求“一举两克”，命屈突通随齐王李元吉继续围困洛阳，亲率精兵步骑进驻虎牢。同时李世民还将自己的卫兵半数兵力分给屈突通，以保护李元吉。
李世民在虎牢之战中全歼窦建德援郑大军，唐军主力旋即回师洛阳，王世充见大势已去，被迫率太子、群臣等2000余人投降，此战的胜利，为唐最终统一全国取得了关键性的胜利。屈突通论功第一，不久拜陕东大行台右仆射，镇守洛阳。几年后，召屈突通回朝拜为刑部尚书，屈突通以不熟悉法律条文为由，再三辞谢，后转为工部尚书。
李世民率屈突通、长孙无忌、尉迟敬德、房玄龄、杜如晦、宇文士及、高士廉、侯君集、程知节、秦叔宝、段志玄、张士贵等发动玄武门政变，伏杀太子李建成、齐王李元吉。李渊立李世民为皇太子，玄武门之变后，李世民担心洛阳发生动乱，派屈突通驰赴洛阳，以检校行台仆射之职镇守洛阳。李渊退位，李世民即皇帝位，大封功臣，屈突通因功赐封食邑六百户。
屈突通病逝，享年七十二岁，唐太宗痛惜良久，赠予尚书右仆射，谥忠。屈突通有二子：屈突寿、屈突诠，屈突寿袭爵。后唐太宗至洛阳，想起屈突通的忠节之事，拜屈突诠为果毅都尉，并赐予粮食布帛表示抚恤，屈突诠后官至瀛州刺史。唐太宗命人画二十四功臣图于凌烟阁，皆真人大小，屈突通名列其中，位于第十二名，与房玄龄配列太宗庙庭。
