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李世民向北渡過黃河,從南面逼進廣武,偵察敵情,乘機留下一千多匹馬,在黃河邊放牧以引誘竇建德,當晚返回虎牢。竇建德果然傾巢而出,從板渚出牛口列戰陣,北靠黃河,西臨汜水,南連鵲山,連綿二十里,擂鼓前進。
唐軍諸將都十分驚慌,李世民帶幾名騎兵登上高丘望敵陣,對諸將說:“敵人從山東起兵,還沒有碰見過強大的對手,如今身涉險境卻很喧囂,是沒有紀律,逼近城池排列戰陣,有輕視我們的意思。我們如果按兵不動,他們的勇氣自然就會衰竭,列陣時間一長士卒飢餓,勢必就會自動撤退,我們再追上去攻擊,必然會取勝。我和各位相約,一過正午,肯定能打敗他們!”竇建德輕視唐軍,派三百騎兵涉過汜水,在離唐營一里地方停止。派人通報李世民說:“請挑選幾百名精兵和他們打著玩玩。”李世民派王君廓帶領二百名長槍手應戰,相互交鋒,驟進驟退,雙方不分勝負,各自返回營地。王琬騎著隋煬帝的青驄馬,鎧甲兵器都很新,遠離陣前向眾人誇耀。李世民說:“他騎的真是匹好馬!”尉遲敬德請求去奪馬,李世民制止他說:“怎麼能為了一匹馬損失一員猛士呢?”尉遲敬德不聽,和高甑生、梁建方三人騎馬直衝入敵陣,活捉了王琬,牽著他的坐騎奔回唐營,眾人沒有敢阻擋的。李世民讓他去召回黃河以北的牧馬,等他返回才出戰
竇建德排列戰陣,從早晨到中午,士卒們飢餓疲憊,都坐了下來,又爭著喝水,遲疑著想撤退。李世民命令秦瓊帶三百騎兵經過竇建德軍陣西邊向南賓士,告誡他:“敵人如果不動,你就帶兵返回,如果動了,就領兵東進。”秦瓊到竇建德陣前,敵陣果然動了,李世民說:“可以打了!”這時黃河灘上的牧馬也已到達,於是下令出擊。李世民率領輕騎先出發,大軍跟隨在後,向東涉過汜水,直撲敵陣。竇建德的群臣正在朝謁,唐軍騎兵突然降臨,朝臣都跑向竇建德,竇建德召騎兵抵禦唐軍,因朝臣阻隔騎兵過不去,竇建德揮手令朝臣退下,這一進一退之際,唐軍已到陣前,竇建德形勢窘迫,後撤靠近東面的山坡。竇抗帶兵攻打他,交戰後形勢稍不利。李世民率領騎兵赴援,所向披靡。江夏郡王李道宗挺身衝鋒陷陣,直衝出敵陣後方,又重新返回衝入陣中,幾番進出,,放箭射人,敵人都應聲倒地。李世民把自己備用的戰馬送給他,讓他跟隨自己,於是各軍大戰,戰場上塵土飛揚遮天蔽日。
李世民率領史大奈、程咬金、秦瓊、尉遲恭等人將旌旗捲起,衝入敵陣,從陣後而出,開啟唐軍旗幟,竇建德計程車兵回頭看見唐旗在陣後飄揚,迅速崩潰,唐軍追出三十里,殺了三千多人。竇建德被長槍刺中,逃竄到牛口渚躲避。程咬金、秦瓊追逐竇建德,竇建德落馬,程咬金斧頭正要砍下去,竇建德大喊:“別殺我,我是夏王,獻上我你們可以得榮華富貴。”程咬金下馬捉住竇建德,用備用馬匹馱著竇建德,來見李世民。李世民斥責竇建德道:“我們討伐王世充,與你有什麼相干,竟跑到你的領土之外,來與我們交戰!”竇建德說:“現在我不自己來,恐怕以後還得煩您遠途去攻取。”竇建德的將士都逃走了,唐軍俘虜了五萬人,李世民當天就遣散了俘虜,讓他們返回家鄉。
竇建德請求李世民饒恕自己的性命,李世民答應如果他能夠勸說王世充投降就繞其一命。竇建德連連答應,於是李世民押解著竇建德、王琬、長孫安世、郭士衡等人到洛陽城下,給王世充看。王世充流著淚和竇建德接話,竇建德勸王世充不要做困獸