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二月十四日，李世民将军队移到青城宫。唐军还未修筑壁垒，王世充就在早上7时亲率2万人从洛阳禁苑方诸门出来，凭借门东旧马坊的垣堑，在谷水前摆开阵势抵抗唐兵。
壁垒为大军列阵时修筑的临时军事建筑，目的是防止对方机动部队的突袭，一般为土筑墙垣。唐军诸将见王世充军被长时间围困后军容依旧，并能在唐军毫无防备的情况下列阵，而己方壁垒未成，因此脸上皆有惧色。当时，李世民正率领精锐骑兵在北邙山宣武陵观察阵势，他向左右亲信说：“这是王世充最后的家底了。他妄想这次能侥幸获胜，苟延残喘。如果今日将其击破，他以后再无力也无胆出城作战了。”
李世民之所以如此有信心，一方面是由于他对自己的指挥能力有自信，另一方面是对麾下精锐玄甲军的信赖。
之前，为了适应机动作战的需要，李世民曾优选1000多名精锐骑兵，分为左、右队，因其皆着黑袍、黑甲，所以得名“玄甲军”。玄甲军由秦叔宝、程知节、尉迟敬德、翟长孙四名队长统领。“千军易得，一将难求”，玄甲军能有卓越的战斗力，很大程度上多亏这四位猛将。其中，秦叔宝最初是王世充的龙骧大将军，见王世充没有皇帝的样子，便向程知节说道：“王世充此人狡猾多诈，总是喜欢与部下赌咒发誓，这是巫婆的作为，不是明主。”于是二人共约西奔李唐，一起骑马向王世充告别：“我们觉得自己能力有限，不能干好您吩咐的工作，特来向您辞行。”值得称道的是，王世充并没有为难他们，认为人各有志，就放他们走了。
秦叔宝
其实，秦叔宝不能接受王世充的领导方式，很可能与其文化水平和做事方法有关系。王世充祖上为西域胡人。胡人文化水平不高，擅长占卜和经商。因此，王世充虽然通读兵书战策，但骨子里更喜欢用龟策占卜吉凶以及观看天象来做决策。王世充所部皆为楚人，而卜筮之术在楚地尤为盛行。是以王世充很喜欢装神弄鬼、故弄玄虚，以此为御下之道。
在击破李密的战役中，王世充先令门卫张永通假言梦到有人对他说：“我是周公，能降兵帮助你们讨伐李密。”接着，王世充给周公立了祠堂，让人宣言：“周公命令我们赶紧攻击李密，如果不听他的话，军中马上就会起瘟疫。”军中楚人大恐，纷纷请战。接着，王世充又派人抓到一个貌似李密的人，在战争处于白热化状态时忽然抛出，大喊：“李密被抓到了！”于是郑军士卒奋勇，李密军被击破，李密仅以身免。
此外，立国后，王世充每天上朝就会给大臣讲话，常常一句话重复好多遍，以示重要，大臣们非常疲倦。有人劝他只抓大事，细节没必要全部亲自过问。王世充口头答应，却屡屡再犯。他还常常微服私访，轻车简从，不带警卫，游历衙门和市场，人民见了他只要立正就好，无须跪拜。王世充还喜欢跟百姓拉家常：“以前的皇帝深居九重，不懂体察下情。我不是贪图权位的人，只是充当救世主。我就如一个州刺史，事必躬亲，很想听听你们的宝贵意见。就怕衙门规矩多，你们的意见不能尽情上达。我决定在顺天门外设立接待处。西朝堂判案听冤，东朝堂接见谏者。”结果，此后上书如雪片般飞来，王世充根本看不过来，于是一段时间后他就把这项政策废了。
但是秦叔宝为齐州历城（今山东省济南市历城区）人。齐人自古以来争强好胜，侠义豪爽，而且能随时变通，与时俱进。管仲说齐人“贪粗而好勇，不慕古，不留今，与时变，与俗化”。齐鲁文化也讲究从“神道治人”转为人治，尊重鬼神，但认为世俗领导者的个人意志是一切决策的最高指示。用孔子的话说就是“敬鬼神而远之”。因此，秦叔宝看王世充装神弄鬼不顺眼。
司马迁曾说：“（齐人）足智好议论，豁达开朗，不轻易表达内心真实想法。”这或许也是秦叔宝不能接受王世充领导方式的一个原因。
大抵一个领导者的领导能力由两部分组成：一为领导者所处的位置，也就是孔子所说的“名”；一为领导者本身所具有的影响力和执行力，也就是韩非所言的“势”。卓越的领导者应二者兼备，李氏父子便是其中的佼佼者。秦叔宝从唐后战功显赫，李渊赐他黄金瓶，授予他秦王府右三统军的职位，并说道：“你能不顾妻子安危前来投靠我，而且立了这么多功劳。如果我的肉可以吃的话，我都会割下给你，何况子女玉帛之类的身外物？”此后，每次敌方有骁将锐卒出阵耀武扬威，李世民就让秦叔宝出阵。秦叔宝跃马挺枪，刺敌将于万军丛中，鲜有失手。他所用为特制的长枪，其直径与长度皆是加大号。秦叔宝曾于两军阵前将长枪插在阵地上，郑军数十人骑马出来分别拔枪，结果长枪纹丝不动。秦叔宝复骑马出阵，单手将枪拔起而归。李唐平定天下后，每逢国家重大庆典节日，李世民就让手下把这支枪从兵器库中取出来陈列在殿廷上，以示嘉奖。
秦叔宝的好友程知节也擅长马上使枪。他初为李密“内军”（近卫军）四统领之一。李密曾自豪地说：“我的内军可以当百万兵。”程知节从唐后，为秦王府左三统军，并领左一马军总管。至于翟长孙，他初为薛举的内史令，于李唐与薛举决战前夕，率领部众归降李唐。出于统战考虑，也由于唐初军事人才紧缺，他也成了玄甲军统领。
唐军骑兵冲锋
唐军步兵冲锋
程知节，程咬金的原型
优选的精兵，再加上如此猛将担任统领，无怪李世民将玄甲军作为倚重的力量，甚至他也喜欢穿着黑衣、披着黑甲为前锋，率领玄甲军。有一次，行台仆射屈突通与赞皇公窦轨带兵巡行营屯，突然与王世充率领的郑军相遇。战斗初期形势不利于唐军，唐军损失较大。李世民闻讯，率玄甲军来救，一举俘虏、斩杀6000余人，王世充逃回城内。
有此精兵悍将在手，李世民自然对此次谷水之战充满了信心。他令屈突通率领步兵5000人先行渡水攻击郑军阵营，并告诫屈突通，双方一旦交战，马上施放狼烟。
屈突通搭建浮桥渡河，占领滩头阵地后，第一时间放起了狼烟。李世民遂率玄甲军南下，双方马上展开混战。李世民为了探察王世充军阵的虚实，带领几十个骑兵绕到郑军之后。当他在一道长堤前折返时，他发现除丘行恭外，其他从骑已经走丢。继而郑军望见李世民，数名骑兵来追，李世民坐骑被流矢射中而亡，丘行恭张弓搭箭回射追兵，追兵应弦落马，不敢靠得太近。接着，丘行恭将坐骑给李世民，自己走在马前手执大刀开路，终于突出郑军阵营，回到唐军阵内。此战，唐军骠骑将军段志玄由于深入敌后、马匹倒毙而被郑军生擒，两名郑军骑兵抓着他的头发押送回城，渡洛水时，段志玄趁二骑不备，将二人拉到马下，并夺了一匹马跑回唐军阵营，他身后的数百追兵始终不敢太靠近他。
李世民回到本营，双方正式的决战开始了。李世民率玄甲军前锋冲击，王世充亲率兵马殊死抵抗。双方经过四轮血腥的战斗，从上午9点一直战到下午3点，郑军军阵被突破，撤兵回城，唐军纵兵杀敌，俘虏、斩杀7000余人，大军直抵洛阳城下。
二月十五日，王世充出右掖门，背靠洛水列阵，并观察唐军动静。唐降将王怀文忽然持槊直刺王世充，但刺在王世充衷甲（外衣里面穿的护胸甲）上，长槊矛头折断，王世充有惊无险。王世充左右卫兵被这突如其来的一幕惊呆了，个个不知所措。王怀文趁此工夫快马加鞭直奔唐营，却在写口（“写”通“泻”，“写口”也作“泻口”）被追兵擒获斩杀。写口为洛城水入洛河的入口。可见王怀文是被追到河边等待渡河船只时被追击的。王世充回去后，解去衷甲，露出小衣（以示他并未穿衷甲），并向群臣炫耀：“王怀文以长槊刺我而不能伤，这就是我们常说的天命吧。”王世充此举对信奉鬼神的楚人部众无异于打了一针强心剂，其鼓舞人心的作用是不言而喻的。大家纷纷相信他有神明护身，刀枪不入，增强了以后坚守城池的决心。
此时，王世充的御史大夫郑颋上言：“我听说佛有金刚不坏之身，陛下您就是真佛。我有幸生在佛的世界，愿削去头发当一和尚，日夜诵经念佛，资助陛下神武之力。”王世充否决了他这个荒唐的建议：“你是国家重臣，声望一向很重，如果此时遁入空门，我怕影响军心。等战争结束了，我会如你所愿的。”郑颋执着请求，王世充坚决不许。郑颋回去跟妻子说：“我自幼通晓经史，本为报效国家，不幸遭遇乱世，流离伪郑朝中，智力浅薄，无以自全。人生会当有死，早晚有何区别。如果从我所好，死而无憾。”于是削发披僧服。王世充闻之大怒：“你以为我肯定会战败，就想苟免一死吗？不杀你如何服众？！”遂斩郑颋于闹市以立威。郑颋临刑，谈笑自若，围观者皆壮其志气。
郑颋被杀与洛阳岌岌可危息息相关。自从郑国各地通往洛阳的水陆粮道被唐军截断后，唐军重重围困洛阳城，挖掘壕沟修筑堡垒以防郑军突围。洛阳城极度缺粮，一匹绢价值三升带壳小米，一匹布价值一升盐，服饰珍玩如粪土。洛阳城居民吃尽草根、树叶后，纷纷在护城河取细泥沙掺和米屑做成饼吃。很多人由于营养不良都生了病，身体浮肿，浑身乏力，死者相枕于路。城内居民从最初的3万家锐减到3000家。就连朝廷高级官员都饿死不少。其实，郑颋也是饿得无法，想出家为僧托钵行乞，以维持生命之需，不想却引来杀身之祸。
从二月十五日起，唐军开始四面攻城，昼夜不息。不过，城中守卫甚严，城中想越城而逃的郑军将领多达13人，但最后都死了。郑军所造投石机飞石重50斤，能掷200步远；八弓弩的箭杆如车轮辐条，箭头如斧，能射500步。因此，半个多月后，洛阳还是没被攻下。唐军将士也疲惫思归，总管刘宏基等呈请班师。李世民不同意：“我们大举前来，正当一劳永逸。现在郑国诸州已经望风降服，唯剩洛阳一座孤城。攻下洛阳指日可下，我们为何要放弃？”他还下令：“洛阳未破，师必不还。再有上言班师者斩。”
虎牢关石碑
李渊在长安听说士卒疲惫，令李世民班师回朝。李世民一边上表说洛阳不日可克，一边派遣参谋军事封德彝入朝汇报战况。封德彝再次说服李渊：“王世充虽然占领的土地较多，但大部分都已投降。现在他的命令已出不了洛阳城，而洛阳城朝夕可下。如果现在班师，必然功亏一篑，让他缓过气来，以后再要胜郑，就没有这么好的机会了。”其实，更严重的问题是，如果李世民此时班师，洛阳周边的屯垒就会随时反叛，届时唐军能否安全撤回长安都是问题。因为这些屯垒为了防止王世充秋后报复，肯定会不遗余力地攻击撤退中的唐军，以为投名状。所幸，李渊最终同意了李世民继续围攻洛阳的建议。此期间，李世民给王世充写信，要他认清形势，出城投降，不要顽抗到底，王世充留书不报。
二月二十八日，唐军左卫将军王君廓在王世充郑州司兵
沈悦做内应的情况下，半夜率兵袭取虎牢关，擒获郑荆王王行本与长史戴胄。占领虎牢关一役，成为日后唐军取胜的关键。如果没有占领虎牢关，唐军就会进退失据，无险可守，处于两线夹击的危险态势。