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经过数天的集中扫荡，洛阳周边的大多数屯堡被唐军解决。于是，李世民派遣猛将罗士信率领前锋围攻素有“洛阳西大门”之称的慈涧。王世充率3万精兵前来救援。七月二十八日，李世民亲自带领几个轻骑兵深入一线侦察地形，不想与郑军遭遇。李世民寡不敌众，只能且战且走。由于不熟悉慈涧地形，加上道路险阻，李世民被郑军重重包围。眼看退无可退，李世民左右驰射，追兵应弦而倒，郑军方才退却。李世民回到军营，尘埃覆面，把守城门的将士甚至没有认出他来，拒绝放他入营。李世民摘下头盔，大声呼喊，表明身份方才被放进营。
二十九日早晨，已经侦知地形的李世民亲率步骑兵5万大举进攻慈涧。王世充一看来势汹汹，自知不能坚守，遂将慈涧守军后撤，一起回到洛阳城。李世民兵不血刃占领慈涧，马上部署攻城部队。
李世民大军屯集于北邙
，连营直逼洛阳。行军总管史万宝从宜阳南据龙门
，将军刘德威从太行东围河内县，怀州总管黄君汉从河阴攻击回洛城（今河南孟津县东，与洛阳市区毗邻）。值得一提的是，上谷公王君廓从洛口
截断郑军粮道，凿沉郑军运粮船30余艘。在后来的拉锯中，这一战绩显现出非常重要的作用，因此李世民战后特别表扬了王君廓：“王长先龙门下米之功，出诸人之右也。”
王君廓出生于山西太原（并州）的一个贫苦家庭，早年是个投机取巧、阴险狡诈的市场经济人（驵侩、无行）。后来，他加入瓦岗军，再后来，投降了李唐。唐郑洛阳之战前，王世充所部郭士衡就曾派人扰掠李唐边境，被王君廓设计击退，李渊亲自嘉奖他：“你能以十三人击破郭士衡部上万人，自古以来以少胜多的战役，没有这样的先例。”还给了他上百匹彩色的布料作为物质奖励。
八月十三日，黄君汉派遣校尉张夜叉率领舟师偷袭回洛城，攻克后派兵驻守，又拆断河阳县南桥，攻降附近坞堡20余座。卧床之榻不容他人酣睡，王世充派太子王玄应率领杨公卿等人反攻回洛城，无奈久攻不下，于是在回洛城西修筑月城一座，留兵戍卫。月城又称“瓮城”，是古代修在城门外，但与城墙连为一体的附属防御设施，多呈半圆形，少数呈方形或矩形，视地形而定。圆者似瓮，故称“瓮城”；方的又称“方城”。当敌军攻入瓮城时，关闭主城门和瓮城门，守军即可“瓮中捉鳖”。瓮城两侧与城墙连在一起，设有箭楼、门闸、雉堞等防御设施。另外，瓮城城门通常与所保护的城门不在同一直线上，以防大型投射攻城武器的进攻。不过，王世充修筑月城是为攻克回洛城，故此月城应与上述月城的功能相反，不可能与回洛城墙连为一体，应为与回洛城墙相隔不远的防御性建筑，防备城内唐军冲出并偷袭洛阳。
八月二十三日，王世充陈兵于青城宫（今洛阳市西北）下，李世民也率精兵在青城宫护城河对岸布阵，双方隔河而望。王世充先对唐军大举东侵表示了强烈谴责：“隋失其国，天下分崩，东都长安和西都洛阳各有所属，我一直守防郑国辖地，从未西顾半步。大唐熊州和彀州离我郑国很近，我若取之易如反掌。但我为了表示和平诚意，从未动过二州分毫。现在唐军千里迢迢，侵我领土，意欲何为？”
李世民派宇文士及阐明此次出兵的正义性：“现在四海之内都以我李唐为正朔，只有你王郑政权执迷不悟。洛阳人民于是给我大唐写了求助信，要求出兵讨逆。我父年高，又嫌路远，故派我前来解民于倒悬。你如果放下武器早点投降，我可以保你富贵。如果负隅顽抗，请你好自为之，认清形势，多言无益！”
王世充不死心：“我们两国现在息兵讲好，不是皆大欢喜吗？”宇文士及代表李世民，严词拒绝王世充的求和意愿：“我是奉命而来，没有接到讲和的命令！”王世充又以割地为条件请求李世民退兵，李世民不许。双方谈判破裂，各引兵而还。
九月十三日，王世充的颍州总管田瓒将龙门山南25郡献于唐军。他的投降导致洛阳与襄阳之间的联系被唐军完全掐断。十七日，李世民派遣王君廓攻占轩辕。王世充派将军魏隐还击王君廓，王君廓假装败退，沿途设下埋伏，大破魏隐军，并乘势攻下洛阳周边各地，至管城县（位于今河南郑州市）而还。
此后，王世充的尉州刺史时德叡率所部七州来降。李世民并不派遣官员易权（战事在即，也无闲暇），一切依王世充旧政，毫无扰民之举，只是象征性地将尉州改名为“南汴州”，以示这些地方已经易帜。于是，河南州县闻之大悦，纷纷前来归降，李世民均妥善处置。这种情况的出现，都是因为王世充的战略决策为集中精锐困守孤城，将各州县的精锐力量全部调往洛阳，各州县几乎没有有效的抵抗力量。在唐军节节胜利，郑军屡战不利的情势下，这些州县的机会主义倾向日益明显，所以前来投降的州县络绎不绝。尽管好多地方都只是名义上投降，但对郑军士气的影响之大不言而喻。而李世民在这些反正者中间也树立了一个宽容、大度和值得信赖的领导者形象。
九月二十一日，李世民再次率500骑兵登魏宣武陵
侦察战场。结果，他又被包围，而且这次是王世充率领的万余名步骑兵。这次比上次更凶险，王世充部下悍将单雄信持槊直奔李世民，唐军猛将尉迟敬德望见，立刻跃马前来相救，边走边喊，横刺单雄信致其落马。王世充所部抢救单雄信回营修整，尉迟敬德护卫李世民出围。李世民回营重整兵马，带领尉迟敬德出阵再战，入王世充阵如无物，往返无人敢阻。随后屈突通率领大军继至，大败王世充军。王世充差点被活捉，仓皇逃回洛阳城。此战，唐军斩首千余级，俘获郑军精锐排矟（“矟”，通“槊”，即长矛）兵6000人。
此战立了大功的尉迟敬德战斗力强，尤其擅长躲避长矛。他常单枪匹马冲入敌军阵营，面对敌军蜂拥而至的长矛能毫发无伤，甚至还能夺取对方的长矛将其反刺于马下。他之前是隋将领宋金刚的属下，宋金刚战败后他投降唐军，被任命为右一府统军，随军东征洛阳。此战救主前夕，尉迟敬德曾经由于随同反正的将领叛逃，遭屈突通等老将强烈要求处死，以除后患。但李世民否决了这些保守派将领的意见。他不仅将尉迟敬德释放出狱，还请他入卧室，明白告诉他可以来去自由：“大丈夫当以义气相许，细小的误会不必放在心上。我绝不会听信谗言残害忠良。如果你想离开，我可以给你一笔可观的遣散费。”当时，尉迟敬德不置可否，如今却以实际行动证明了自己的忠心。于是，李世民欣喜地对他说：“他们都说你会叛逃，只有我不信。但你报答的速度也有点太快了吧！”随即赏了他一箱子金银。
尉迟敬德
十月十四日，唐军行军总管罗士信攻陷洛阳城外的硖石堡，随后又围攻千金堡。硖石堡为山式坞堡，这种坞堡依山而建，关口深险，一夫当关，万夫莫开，山内为平原，可耕可织。千金堡则是城式坞堡。这种坞堡四周有高墙，门上有望楼，四隅有角楼，各楼都有执杖瞭望、警鼓和击鼓的人，楼中还设有楼梯以供上下。
罗士信围攻千金堡后，千金堡守军辱骂他，使他恼羞成怒。半夜，他派百余人假扮百姓，怀抱几十个婴儿来到千金堡下，并使用各种方法让孩子们哭声一片。这些人谎称他们是从东都洛阳跑出来投靠罗士信的，后来发现罗士信走了，就想离开。堡中人信了他们的话，放松了警惕，以为罗士信真的撤兵走了，于是打开堡门出兵去追。结果，这支追兵在返回途中，被罗士信军尾随，开堡门的瞬间罗士信的军队突然杀入，将坞堡中的人屠戮殆尽。
以罗士信为原型的演义人物罗成
罗士信年少勇武，十四岁想参加隋军，隋将张须陀以他貌不出众，尚未成年为由拒绝了他。罗士信被激怒，愤然跑入军营，穿上两套盔甲上马耀武，以示可用。在之后的战斗中，他的勇武甚至得到了隋炀帝的表扬，后者还命令画工将罗士信在战斗中的英勇形象汇成图册，藏在国家档案馆内。后世民间传奇小说《说唐》中的虚构人物“罗成”的历史原型就是罗士信。《大唐秦王词话》也提到“罗成，字士信”，认为罗成就是罗士信。
罗士信于大业十三年（617年）归顺王世充，武德元年（618年）归顺李唐。归顺李唐的原因说来可笑。罗士信有一匹战马被王世充的侄儿王道询看中，后者向他索要无果就报告了王世充。王世充作为一国之主，居然勒令罗士信将战马转让给王道询。罗士信为此感到耻辱，于是转投唐军。但是，罗士信的叛逃后果极为严重，直接导致王世充对任何人都不信任。此后王世充常常觉得他的臣民随时可能叛逃李唐，于是决定靠严刑峻法立威。他规定：如有一人出逃，家里无论老少皆连坐。父子兄弟夫妇如果有人相互告发，告发者可以免罪；伍伍相保，有一家反叛，五家皆诛；樵牧出去打柴放马必须到当地基层组织备案，而且人数有限制。遣台省官（中央各部门工作人员）督查十二郡营田（士兵耕种用来发军饷的军田），有逃跑士兵，就对外谎称上天成仙了。更厉害的是，王世充将宫城作为大狱。每有大将出征，其妻女就会被接入宫中当作人质。由于外派将领很多，宫里人质高达1万多人。由于粮食不够，每天饿死的都有数十人。
在此背景下，王世充手下管州总管郭庆的叛逃触发了其他各州县将领叛逃的连锁反应。郭庆本为李密部将，被王世充收编后委以重任，还把侄女嫁给他。唐军逼近洛阳，郭庆派人与李世民洽谈投降事宜。李世民派遣行军总管李世（即徐茂公）带兵接收管州城。郭庆想妻子也跟着一起来，但他妻子说：“皇上之所以把我嫁给你，就是想让你一心为郑国效忠。现在你辜负了他的重托，见利忘义，我能把你怎么办呢？如果我跟你去长安，我最多是你家的一个婢女，你还要我做什么？如果你能看在夫妻一场的分上把我送到洛阳城，我会永远感激你的。”可是郭庆不敢冒这个险，没有答应妻子的请求。他出门后，他妻子跟婢女说：“如果唐军赢了，那么我们王家必然灭族；如果郑军赢了，那么我丈夫必死。人生至此，活着何益？”于是自杀。
十月二十日，郭庆投降李唐，改名“杨庆”。
郭庆叛逃时，王世充的太子王玄应正镇守虎牢关，军队驻扎在荥州和汴州之间。他听闻此事，立刻率军赴援管州，却被李世
半路击退。此后，李世民又派郭孝恪写信劝降荥州刺史魏陆，魏陆秘密派人请降。王玄应不知有变，派大将军张志接手魏陆辖属兵马，一起攻伐李世
，却被魏陆将张志等四人生擒。
十月二十六日，魏陆举州来降。随后，阳城令王雄率领辖属各坞堡来降。汴州刺史王要汉也斩杀郑军大将张慈宝，投降了唐军。王玄应一看诸州纷纷叛变，心中大惧，率领残部奔还洛阳。
当王玄应率领数千残部从虎牢关携带粮车想返回洛阳时，李世民派遣将军李君羡半路截击，大败郑军，王玄应孤身一人逃回洛阳。至此，洛阳陆路粮道被隔绝。
到了武德四年正月二十七，前隋楚王杜伏威派遣手下大将率精兵2000来助秦王李世民征伐王世充，并一举攻克梁州
。梁州为重要的物资集散地，战略位置显要，京杭大运河贯穿全境。控制了梁州，就掐断了洛阳城的水运粮道。
杜伏威年少放荡，亡命为盗。当盗贼时，他行事很有特色，事先总会充分谋划，行动时在前冲锋，撤退时在后，合理分配所得赃物，不轻易放弃任何一个同伴，他还与下属同甘共苦。每次战斗后，他都要查看将士们的伤口，伤口在背者一律杀无赦，因为他们有逃跑嫌疑。虽然这种简单粗暴的鉴定方法显得无情冷酷，然而在生死相搏的战场上其激励效果却甚为显著。更可怕的是，战死的人的妻子会被杜伏威斩杀殉葬。这种惨无人道的杀妻殉葬使下属明白，即使自己战死，妻子也不会转嫁他人，因而作战时能够勇往直前。抛开这些不谈，杜伏威的归顺对正处于洛阳攻坚阶段的唐军来说无异于雪中送炭。因此李渊非常高兴，封杜伏威为李唐的吴王，赐姓“李”，还准备把他的籍贯列入李唐的陇西成纪。在当时甚为重视豪门望族的世风下，此举无疑是极高的荣誉。此外，李唐王朝还赏赐了他丝绸5000段、马300匹。
当时，唐军已将洛阳外围州县的正规军及民兵彻底扫清了。再加上陆路和水陆粮道被切断，洛阳已彻底沦为一座与外界隔绝的孤城。李世民知道决战时刻要到了，于是派遣宇文士及入长安奏请李渊批准合围洛阳。李渊让宇文士及转告李世民：“我们之所以攻取洛阳，目的是止息兵戈。攻破洛阳后，洛阳城内的车马服饰、印章文物、书籍兵器，只要不是私家所用物品，一律交予秦王保管，收归国库。其余美女玉帛，合理分给将士。”这条命令既限制了李世民染指公器的妄心，又给了他处理私物的权力。