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经此一战，李渊得到了众人的拥护和爱戴，很快就建立了军事、政治机构，也为改朝换代做好了初步准备。李渊心系天下，当然不会满足于只得到太原。大业十三年（617年），李渊任命李元吉留守太原，自己则带着李建成和李世民，率领大军从太原出发，一路南下。自此，李渊父子踏上了建立大唐的征程。
在中原地带，李密率领的瓦岗军实力最强。李密原本想把各路起义军都收入麾下，拥护他为首领，共同反隋。毫无疑问，李渊作为起义军的后起之辈，也收到了李密的消息，但是李渊始终没有给李密任何回信。直至大兵出发前，为了避免腹背受敌，被瓦岗军袭击，李渊才假意给李密回信，表示愿意拥护李密为王。其实，他是为了让李密继续反隋，而不要对他们开战。果不其然，李密接到了李渊的来信后喜出望外，马上回信给李渊说瓦岗军绝不进犯太原。由此一来，李渊就解除了后顾之忧，不再担心太原的安危了。
隋炀帝得知李渊起兵南下的消息后，心急如焚，派出重兵阻止李渊南下。这个时候，因为连日降雨，道路泥泞，李渊只好命令全体将士原地驻扎，等到天气转晴之后再继续南下。然而，他们的粮草马上就要消耗光了，天气却依然阴雨连绵，李渊急得如同热锅上的蚂蚁一样团团乱转。这个时候，晋阳告急，原来刘武周和突厥勾结起来攻打晋阳。这样一来，李渊后院起火，情势变得更加危急。裴寂建议李渊火速赶回晋阳平定后方，择机再挥师南下，然而，李世民却坚决反对退兵。他向李渊分析了当下的情势，认为一旦退兵就会导致军心涣散，此外他还建议李渊不要忌惮刘武周和突厥的兵力，因为刘武周和突厥是面和心不和，更不要忌惮李密，因为李密根本无暇攻打他们。在李世民的再三劝谏下，李渊最终改变了退兵的主意，继续挥师南下。
从根本上来说，裴寂等人主张回到晋阳，因为晋阳是义军的根据地，也是义军的大后方。所以裴寂等人主张回到晋阳，并非胆小怯懦，而是考虑到后方稳固。相比之下，李世民主张继续挥师南下，也并非急于冒进，而是因为他分析了刘武周和突厥的合作情况，也分析了李密的战况，认为他们都不足为惧。最终，李渊醒悟过来，采纳了李世民的建议，撤回了退兵，继续挥师南下，所以才能一鼓作气，到达霍邑，与镇守霍邑的宋老生一决高下。李渊深知隋军训练有素，宋老生还有背城布阵的优势，因此没有贸然进攻，而是设下计谋，佯装后退，引诱宋老生追击。宋老生呢，以为李渊的队伍和其他义军一样不堪一击，所以十分轻敌，中了李渊的圈套，没有固守城池，反而对李渊的“退兵”穷追不舍。最终，李建成和李世民对宋老生两面夹击，李渊率领军队对宋老生迎头赶上。最终，在两个儿子的鼎力相助下，尤其是在李世民的“妙计”下，李渊打败了宋老生。
李世民的“妙计”是什么呢？原来，隋军训练有素，李世民在对隋军应接不暇之际，突然心生一计，大声呼喊：“我已经活捉宋老生，隋军中主动投降者可免死罪。”李世民的呼声一出，扰乱了隋军的阵仗。隋军军心大乱，溃不成军，当即朝着城里撤退，却在关闭城门时，把宋老生以及宋老生所率领的军队留在了城门外，让宋老生成为了孤军。李渊父子三人齐心协力，把宋老生围困起来，使其无路可退，也无路可进，陷入绝境。正当宋老生感到绝望准备自杀之际，义军的刘弘基恰巧赶到，腰斩了宋老生。这使得宋老生的部下们全都军心涣散，最终全军覆灭。
这个时候，尽管天色已经晚了，但是李渊一鼓作气，号令将士们马上攻城。城里的隋军将士们虽然还在抵抗，但是气势大不如前。很快，李渊就率领队伍攻入城池，隋军的将士们全都下跪投降。见此情形，李渊高兴极了。他命令全体将士都必须严守军纪，决不允许扰乱百姓的生活，所以城中的百姓生活一如往常，没有受到任何影响。
这是李渊起兵之后的第二次大战，史称霍邑之战。原本，李渊以为这一战要耗费很长时间，却没想到在李世民的英明决策之下，这场大战速战速决，战果显赫。从此之后，李渊特别赏识李世民的军事才华，还把掌管军队的大权交给了李世民。
霍邑大战让李渊父子名声大噪，很多人都带领队伍投靠他们，他们的队伍迅速壮大起来。接下来，李渊父子计划攻下河东城。河东城相当于关中的大门，只要攻入河东城，就相当于打开了关中的门户。隋炀帝当然知道李渊父子的计划，他当即命令隋朝的名将屈突通坚守河东城，决不能让李渊父子的计划得逞。屈突通是隋朝大将，深谙兵法，且有丰富的实战经验。接到这个艰巨的任务之后，他一到河东城，就开始修筑防御工事，为抵御李渊父子率领的起义军做准备。可想而知，河东城城防坚固，又有屈突通这样的名将捍卫，李渊想要攻下河东城，简直难于登天。李渊强攻不下河东城，决定采取迂回战术，先攻打隋朝的大型粮仓之一——永丰仓所在的邑县。这次，李渊兵分两路，留下一路兵马继续围困河东，又率领主力军西渡黄河，进入关中，在长春宫驻扎下来。屈突通尽管是大将，却分身乏术，顾此失彼，最终只能退守河东城。这时，李渊父子已经占领了关中大部分地区，队伍也空前壮大起来。其中，李世民的队伍人数众多，多达十三万人。正是在关中征战期间，李世民结识了房玄龄，后来，李世民与房玄龄之间成就了君臣佳话。
李渊父子势如破竹，很快就攻下了长安城。在裴寂的建议下，李渊并没有自立为王，而是拥护代王杨侑登基，史称隋恭帝。这时，隋炀帝远在江都，李渊却依然尊称其为太上皇。至此，李渊自封为唐王，独揽国家大权，隋恭帝只是一个傀儡而已。李渊立长子李建成为世子，立次子李世民为京兆尹，封秦公。李渊只用了一年多时间，就在关中站稳了脚跟。从此之后，他大张旗鼓地招贤纳士，奖励军功，而且对隋朝旧时的老臣封官加爵，笼络人心。正是因为采取了这三项政策，李渊才能为李唐王朝的建立奠定基础，也实现了从隋朝到李唐王朝的平稳过渡。
义宁二年（618年），隋朝禁军将领马德勘和大臣宇文化及发动了江都兵变，杀死了隋炀帝，准备率军进入关中，却与盘踞中原的瓦岗军打了遭遇战。这个时候，李渊得知隋炀帝已经死了，当即开始准备禅位典礼，让隋恭帝禅让皇位给他。就这样，李渊顺利即位，正式建立唐朝，以长安为都。李渊，就是唐高祖。
李渊即位之后，立李建成为太子，封李世民为秦王。然而，李世民在李渊建立唐朝的过程中战功赫赫，在唐朝的地位至关重要，不可撼动。这为后来李世民登基奠定了坚实的基础。