李世民又进驻青城宫，营垒尚未建立，王世充的军队二万人从方诸门面临谷水扎阵，李世民以精锐骑兵在北邙山扎阵，令屈突通率五千步兵渡水攻击王世充，并趁机告诫屈突通道：“等到双方交战时就放烟，我当率骑兵南下。”双方军队才接战，李世民用骑兵冲锋，自己挺身冲锋在前，与屈突通里外呼应。敌军拼死作战，多次被打散又多次聚合。从早晨一直战到下午，敌军才开始退却，李世民指挥兵士追击，俘获、斩首共八千人，于是进兵屯营到城下。王世充不敢再出战，只是环城自守，以等待窦建德救援。李世民派遣诸军挖掘壕沟，环绕布置长期围守。吴王杜伏威派遣他的大将陈正通、徐召宗率精兵二千人前来在李世民军营会合，伪郑州司马沈悦以虎牢关来投降，将军王君廓响应，活捉伪荆王王行本。
恰巧窦建德率兵十余万来援救王世充，到达酸枣。萧瑀、屈突通、封德彝都因为腹背受敌，恐不是万全之策，请求退师到谷州观看形势。李世民道：“王世充粮食已尽，内外离心，我军不需攻击，可以坐收敌军破败之功。窦建德新近攻破孟海公，将官骄傲士兵怠惰，我军当进攻占据武关，扼守山川要冲。敌军假若与我军争胜负，我攻破敌军是必然的了。如果不战，十日之间王世充当会自我崩溃。若不急速进攻，敌军进入武牢，诸城刚刚归附，必定不能坚守。他们两方力量合并，还能把他们怎么办呢？”屈突通又请求解围到险要之处以等候敌军内部生变，李世民不同意。于是，留屈突通辅助齐王李元吉以包围王世充，李世民亲自率领骑兵三千五百人奔赴武牢。
窦建德从荥阳西上，筑营垒在板渚，李世民驻军在武牢，两军对峙二十多天。探听消息的人报告道：“窦建德探听到我军牲畜的饲料已尽，等候在黄河北岸放马吃草时，趁机偷袭武牢。”李世民知道他们的阴谋，于是放马在黄河北岸吃草来诱敌。早晨，窦建德果然率全部兵马到来，陈列军队在汜水之上，王世充大将郭士衡扎阵在南面，绵延数里，大声呐喊，诸将大为恐惧。李世民率几名骑兵登上高高的土丘遥望敌军，对诸将道：“贼人起兵山东，没有遇见过强大的敌人。现在渡过险要之处而叫嚣，这是没有政令的表现；逼近城墙扎阵，有轻视我们的思想。我按兵不出，敌军气势便衰竭，扎阵太久士卒饥饿，必将自我撤退，这时再来追击，可以无往而不胜。我与你们约定，必定在午时以后攻破敌军。”
窦建德排出阵势，从上午直到下午，兵士又饿又累，都坐在阵列中，又争着饮水，顷刻间又收敛退却。李世民道：“可以攻击了！”亲自率领轻装的骑兵追击引诱敌军，大军陆续赶到。窦建德回军扎阵，还来不及整顿阵列，李世民已先行攻击，攻击所向，敌军纷纷溃散。不久，众军会合作战，尘土飞扬，呼叫四起。李世民率史大奈、程咬金、秦叔宝、宇文歆等挥动大旗冲入，直接突入到阵后，张挂军旗。敌人回头看见官军旗帜，全军崩溃。追逐攻打三十里，斩首级三千多，俘虏贼众五万，在阵中活捉窦建德。
李世民责备他道：“我兴师问罪，本在王世充，得失存亡，不干你事，为什么越过边境，冒犯我军锋锐？”窦建德恐惧的两腿发抖说：“现在我假若不来，怕麻烦你远远地攻取我！”随后，李世民将窦建德带到东都城下。王世充很恐惧，带领他的官属两千多人到军门请求归降，由此山东全部平定。李世民进入宫城，令萧瑀、窦轨等人封存守卫府库，什么东西都不取，只令记室房玄龄收取地图与户籍。接着杀了共同作恶的段达等五十多人，冤枉被囚禁者全部释放，无罪而被杀者加以祭祀并写祭文致以哀悼。用酒食款待将士，按品级等第颁赐物品。李渊听说此次大捷后，令尚书左仆射裴寂在军中慰劳，并亲手写诏书道：“隋朝分崩，崤山、函谷关隔绝。两雄会合，一朝清平。军队已经获胜，更没有死伤。做臣子的不惭愧，做君父的不担忧，都是你的功劳。”
李世民班师凯旋，亲自披挂黄金铠甲，排列一万骑兵，穿铠甲士兵三万人，前后部都敲鼓吹号，在太庙贡献俘虏的二伪主窦建德、王世充以及隋朝器物车乘。李渊认为自古以来旧的官阶与特殊功劳不相称，于是另外发徽号，以表彰李世民的功勋德望。加李世民天策上将封号、陕东道大行台，位在王公之上，增加食邑二万户，连以前的共计三万户，赐给金车一辆，王公之衮衣和冠冕一套，玉璧一双，黄金六十斤，前后部鼓吹及九部之乐，仪仗四十人。
这时海内渐渐太平，李世民于是专心一意读经史子集，开文学馆以接待四方才学之士，行台司勋郎中杜如晦等十八人为学士，每次在阁下轮流值班，李世民则降低身份以温和态度与学士们讨论经义，有时谈论到半夜才结束。
不久，窦建德旧将刘黑闼举兵造反，占据洺州，李世民统领全军向东去讨伐他，进军肥乡，分兵断绝刘黑闼运粮的通道，双方对峙两个月。刘黑闼被迫急于求战，率领步兵、骑兵二万人，南渡洺水，早晨便迫近官军。李世民亲自率领精锐骑兵，攻击刘黑闼的骑兵，攻破了他，乘胜冲击践踏他的步兵，敌兵崩溃，斩首级一万多。先前李世民派人筑坝堵塞洺水上流使水流变浅，让刘黑闼得已渡水。等到作战之时，才命令挖开拦河坝，大水冲到，一丈多深，敌兵已经战败，逃到水中都淹死了。刘黑闼与二百多骑兵往北逃到突厥，李世民全部俘虏了刘黑闼的部众，河北平定。当时徐圆朗带兵在徐、兖二州阻碍李世民，李世民这时便回师讨伐平定了徐圆朗，于是河、济、江、淮所有州郡城镇都平定，李渊加授李世民左右十二卫大将军。
突厥侵犯边境，太宗与突厥军在豳州相遇，带领一百骑士随从与突厥首领会谈，结盟后突厥军撤离，李世民晋升为中书令。
皇太子李建成、齐王李元吉想要谋害李世民，李世民率长孙无忌、尉迟敬德、房玄龄、杜如晦、宇文士及、高士廉、侯君集、程咬金、秦叔宝、段志玄、屈突通、张士贵等，在玄武门杀了李建成、李元吉。李渊大惊，立李世民为皇太子，各种政务皆由李世民决断。
李世民于是放掉宫廷花园中所养的鹰犬，并停止收取各方所进贡的奇珍异宝，政理崇尚简要严肃，天下人大喜。又命令百官各个呈上封章奏事，详细陈述安定人心治国的关键。六月十三日，命令道：“依照礼法，皇帝的两个名字不要为某一个字而避讳。近代以来，两个名字都避讳，废缺地方已经很多，任意避讳，有违经典。那些官号、人名、公私文籍图书，有‘世民’两个字不连续的，并不须要避讳。”撤销幽州大都督府，废除陕东道大行台，设置洺州都督府；废除益州道行台，设置益州大都督府。幽州大都督庐江王李瑗图谋叛逆，被废弃为普通百姓，撤销天策府。
李渊传位给李世民，李世民在东宫显德殿即位，派司空、魏国公裴寂在南郊烧柴祭天，大赦天下，以来由于直言被责罚流放的人都放回。文武官员五品以上先前无爵位者赐给爵位一级，六品以下加勋级一等，天下免赋税徭役一年，放宫女三千人回家。
突厥颉利可汗、突利可汗入侵泾州，突厥入侵武功，京师戒严，突厥入侵高陵，行军总管尉迟敬德与突厥在泾阳大战，大破突厥，斩首级一千多。颉利可汗到达渭水边，李世民与颉利隔渭水对话，斥责他背弃定约，不久大军陆续到达，颉利可汗见唐军军容盛大威严，又知道执失思力被捕，由此大为恐惧，于是请求和解，诏令同意。李世民当天回宫，又驾到便桥，与颉利可汗杀白马而设盟誓，突厥退走。
颉利可汗献马三千匹，羊一万口，李世民不接受，命令颉利归还掳掠的人口。李世民率领所有禁军步骑将领在显德殿殿廷学习射箭，他亲自面试，射中者随即赏赐弓刀、布匹绸缎。朝中有很多劝谏的臣子，但李世民不采纳，从此以后，士兵都成精锐部队。诏令私人之家，不得擅权建立妖神，随意设立不适当的祭祀，不合礼法的祭祀祈祷，一概禁绝，除了龟甲兽骨五种占卜以外，其他杂七杂八的占卦卜卦，也都停止，禁止使用。
立中山王李承乾为皇太子，将没有建立功勋的皇族中的郡王降级为县公，讯察记录囚犯的罪状，将长沙郡王李恪晋封为汉王，宜阳郡王李佑晋封为楚王。
隋朝杨广造成隋末严重大乱，导致人口锐减，使得武德年间、贞观初只有200万户，李世民经常以亡隋为戒，注意叮咛自我克制欲望，嘱咐臣下莫恐上不悦而停止进谏，励精图治，在政治上，既往不咎，知人善任，从谏如流，整饬吏治；经济上，薄赋尚俭，为政谨慎；亦致力复兴文教，令隋末动荡之局得以稳定下来。
李世民十分重视吏治的清明，曾命房玄龄省并冗员，派李靖等13名黜陟大使巡察全国，考察风评；又亲自选派都督、刺史等地方官，并将其功过写在宫内屏风上，作为升降奖惩的依据。另又规定五品以上的京官轮流值宿中书省，以便随时廷见，垂询民间疾苦和施政得失，百官遂自励廉能，直接提高政府效率。
在军事上，李世民多次对外用兵，先后平定突厥、薜延陀、回纥、高昌、焉耆、龟兹、吐谷浑等，由是唐朝声威远播，四方宾服。经李世民君臣二十三年的努力，社会安定、经济恢复并稳定发展，对外武功显赫，人口达到三百八十多万户，奠下了唐高宗、武则天、唐玄宗年间大唐盛世的基础，史称‘贞观之治’。
太子李承乾以谋反之罪被废，唐太宗遂将其第九子晋王李治立为太子，并对太子严加教管，晚年李世民着《帝范》一书以教戒太子李治，总结了他的施政经验，同时自评一生功过，并对其告诫说：“你应当以古代的圣哲贤王为师，像我这样，是绝对不能效法的。因为如果取法于上，只能仅得其中，要是取法于中，就只能仅得其下了。我自从登基以来，所犯过失是很多的：锦绣珠玉不绝于前，宫室台榭屡有兴作，犬马鹰隼无远不致，行游四方供顿烦劳。所有这些，都是我所犯的最大过失，千万不要把我作榜样去效法。”
命李治到金掖门代理国事，因病医治无效，驾崩于终南山上的翠微宫含风殿，初谥文皇帝，庙号太宗，葬于昭陵。
