三月二十五日，秦王李世民来到虎牢关与李世勣会合。与夏王窦建德大军相峙，双方比耐心，都想以逸待劳让对方先进兵。将近四十天过去了，王世充粮食磬尽，连连告急。
五月初二日，夏王窦建德按奈不住，首先发兵到虎牢关布阵挑战。
秦王世民坚守不应战，以逸待劳，消磨敌军的锐气。
夏王窦建德的将士们在烈阳下曝晒半天，饥渴难耐士气懈怠。
决战的时机到了。秦王世民胸有成竹，为了论证自己的进攻战术是否完美正确，问李世勣：“这里是瓦岗军活动范围，你熟悉地势地形，如何掩护东北方向的河中渚州骑兵过河参战。”
李世勣说：“在对角方向以骑兵掠阵游击，反方向诱敌。”
秦王世民微笑着点点说：“你我所见略同。宇文士及听令，你领三百骑兵扰阵，沿着夏军兵阵边缘向南，驰马掠阵游击。必须要打得夏军移阵追击，如果敌军阵不动，你领骑兵来回反复冲阵游击。若敌阵发动追击，你暂时不能入阵厮杀，沿着敌阵拐角处向东，占领鹊山高坡。歇马稍刻，我领中军冲阵后，你部冲击敌军侧后。
右武候大将军听令：督发步兵正攻，在虎牢关上观阵督阵，畏敌不前者执行军法。”
宇文士及受军令，领三百骑兵冲击夏军军阵西南角。果如秦王所料，夏军南阵将士们迫不及待一峰窝去追击宇文士及。秦王世民点点头，李世勣令旗一挥，虎牢关城楼上的弩车射出穿云响箭，呜鸣声传向东北方向。为防有失误，城墙上同时点火袅烟。
河中渚州上的骑兵早已整装待命，听到响箭声，即以纵队策马进入水下暗道。战马入水浪花飞溅，数里宽的河面瞬间就过来了。
夏王窦建德在大河沿岸布置许多瞭望哨，密切注视着唐军的运兵马大船。大河淤泥半人深，骑马涉水必陷马腿，必须要大船运马过河上岸。哪知道水下有暗道，骑兵眨眼之间就过了大河。
唐军在洲渚这支骑兵距虎牢关数里地，正好对着夏王窦建德的中军大帐。
宇文士及在西南角得手。秦王世民令李世勣虎牢关城楼击鼓，自己一马当先，率领骑兵直冲敌阵。李世勣督发步兵跟进。
夏王窦建德自从缴获隋帝玉玺及皇家仪仗，感觉天命归心，一切均按皇帝的仪礼制度。这日晓前出兵，没来得及行早朝典礼。当下传诏，文武百官举午朝参见夏王。夏军布阵已经半天了，唐军龟缩不应战。文武百官朝觐夏王窦建德，在中军大帐议论军政大事。
夏王窦建德中军大帐之南，有骑兵从鹊山坡冲击中军。又报中军大帐之北，有大批骑兵冲杀。西边正面战场十万步兵，鼓声隆隆，喊杀声震天动地，两军步兵混阵缠斗。秦王世民率领骑兵杀开一条血路，不与夏军步兵缠斗，直奔夏王窦建德的中军大旗。
夏王窦建德怎么也想不到，自己的中军大帐直接受到三个方向的敌军骑兵冲击。混战之际没了阵列，骑兵对抗步兵，犹如滚瓜切菜。
混战之际，唯有用骑兵对抗敌军骑兵。夏王窦建德把宝贵的骑兵布置在后阵，拟在两军交战之际作奇兵机动使用。
窦建德急召后阵骑兵阻击唐军。大军阵中本有预留的一条中央大道，供战时前后调兵增援的通道。岂料正值夏王窦建德午朝，文武百官散朝归营归阵，各自带有骑士卫队。文武百官及卫队人数众多，乱七八糟占据了中央大道。后阵骑兵迎战通道被堵，急忙疏通大道，可惜为时已晚。夏军整个大兵阵已被唐军骑兵穿插切割。
夏王窦建德所统的徐圆朗兵见势不妙，溜之大吉。滑州兵家乡更近，乘乱遁逃回乡。一阵子溃散几万人马。
年轻的淮阳王李道玄，驰马冲阵奋勇争先，为秦王世民冲锋开路，直出夏军阵后树起唐军大旗。李道玄身挂铁甲，外套皮甲，矢箭几十支穿透皮甲，倒掛如同剌猬毛。战马中箭受伤不能驰骋，秦王世民嘱令卫士，把自己的备用马给了李道玄，使其上马再战。
夏军已乱，唐军已经掌握了战场主动权。秦王世民传令，各位将军，各府各团各自为战，左进右出，右进左出，在夏军阵中阵后都树起了唐军旗帜。
夏王窦建德从未遇到如此混乱战场。王呼不到将军，将官们呼不到自己的兵。夏军将士们只有各自逃命。