五月一日下午，李世民将战马千匹，尽数运到黄河北岸放牧。窦建德闻讯大喜，第二天天还没亮就拔寨起兵，到虎牢关外的牛口布阵，隔着一条汜水便可看见虎牢关。你想十万大军，何等壮观，营寨相接，绵延二十余里。从虎牢关上远远望去，便如黄河暴涨，大江横流，满山遍野，一直连到天边去了。众将领见夏军声势浩大，都不免有些害怕。唯独李世民说道：
“贼自起山东，未尝遇过强敌。逼城下寨，是有轻我之心。布阵时声音大而杂乱，显然缺乏纪律。我按甲不出，彼勇气自衰。时间一长，士气消退，我军蓄势而发，无不克者。我与诸将打赌，不过中午，必破之矣！”众人被李世民一番慷慨陈词忽悠得半信半疑。
窦建德见唐军不出，以为唐军是被吓破了胆。李世民小儿，带这一点人就来和我PK，太托大了吧，看我怎么整死你。于是先派了三百骑兵渡河挑衅。这时候战马还未全部运回虎牢，李世民故意与他拖延时间，只派了两百骑兵手持长槊出战，时进时退，不分胜负。在这次战斗中，战斗英雄尉迟敬德大出风头，伸手之间，擒将虏马，勇猛难当。这三百人在行军途中迎面遇上宇文士及率领的三百骑兵冲杀过来，夏军哪里抵挡得住，连渡水回营也来不及，于是向东奔逃，宇文士及跟在后面穷追不舍。
窦建德看见宇文士及三百孤军远离本阵，以为有机可乘，于是马上派出数千骑兵向东追击，却不料中了李世民之计。当时已近中午，唐军战马已全部运回，且饱餐了一顿鲜美的牧草，一个比一个精神。李世民远远望见夏军散乱得坐在地上休息，还有不少士兵出营，到河边饮马洗澡，很多士兵以为到了旅游胜地估计还裸泳了一番。随便说下，窦建德治国像他的为人一样宽厚没有什么错，但治军过宽的结果很严重，会导致军容不整，纪律松弛，实在兵家大忌。现在夏军军心已疲，阵形已散。李世民也看到这一点，于是派宇文士及诱出他数千骑兵，阵脚更乱。
窦建德骑兵一出，李世民即刻大喝：“贼势已懈，急击勿迟！”唐军虽然只有3500人，但象秦叔宝、程咬金这样的猛将就有数十，其余也都是身经百战的骁骑，虽然没有吃饭，但常跟李世民打仗，早就习惯了，也不觉得怎么饿。于是分成八队，一齐渡河。
偏偏此时窦建德正在召集朝臣开会，他压根没想过数量如此微弱的唐军会主动出击，只盘算着怎么进攻，所以竟然将主帅大营设在离汜水不足五百米的地方。听到唐军渡水来攻，连忙命令朝臣后撤，组织骑兵前突。一时人流混杂，朝臣们慌乱后退，挡住了骑兵前进。窦建德一看不行，又命令朝臣先回大营，等骑兵通过以后再行撤退。
进退之间，唐军已赶到眼前，杀！
三千铁骑冲进夏营，如入无人之境，这就是传说中李世民的玄甲骑兵。唐初的玄甲骑兵已经和汉代的轻骑兵不同了，虽然去掉了南北朝时代流行的具装铠，减轻了战马的负担。但是骑士本身的防护远较汉魏时代严密。唐代的铠甲有十三种，骑兵主要使用铁质的明光甲。明光甲以兜鍪护头，兜鍪两侧有向上翻卷的护耳，有的兜鍪还缀有垂至肩背用以护颈的顿项；胸甲一般分左右两片，居中纵束甲绊，左右各有一面圆护，或作凸起的圆弧形花纹；两肩覆盖披膊，臂上套有臂护；腰间扎带，腰带之下有两片膝裙护住大腿，小腿上则多裹缚“吊腿”。这种铠甲的结构非常完备。
玄甲骑兵武器如下：弓箭，唐军一般人带胡禄一个，可以装30只箭矢。可能还有马弩装备，能射200步。骑兵的长柄格斗武器是漆枪（也就是槊），握柄很长，这是南北朝以来就流行的长柄格斗兵器。短柄格斗武器主要用短柄长刀，唐军士兵每人一把。除了汉代以来就流行的环首刀外，还有一种柄部有护格、柄首没有圆环的新型长刀。这种刀后来流传到日本，被称为“唐样大刀”。骑兵还使用一部分啄、锤、斧、鞭等砸击类兵器。骑兵使用形体较小的圆形盾牌。
就是这样一种特种部队，如旋风一般刮进夏营。刀剑齐下如切冬瓜南瓜萝卜白菜，一通砍杀。兵败如山倒，二十余里的大营，第一道防线被突破以后，后面的人也不知道发生了什么事，只见前军潮水一般的逃命，杀声震天，想是败了，也跟着头也不回地转身开跑。有些跟窦建德征战多年的老兵，经验丰富，还想着列阵坚守。偏偏阵中还有刚刚收降的徐元朗、孟海公的三万多人，无心恋战。自家营垒被冲了个七零八落。这一下真是黄河决堤，一溃千里，夏军兵马自相践踏，死伤不计其数。夏王窦建德见势不妙，想趁乱逃跑，但无论他如何东窜西窜，总有两骑穷追不舍。原来他那身黄金宝甲实在太引人注目，被唐军车骑将军白士让、杨武威二人看见，知道肯定是重要人物，想抓了领赏。想当年曹阿慲割须弃袍，何等英明果断，汉高祖被项羽追杀，连亲儿子都要推下车去减轻重量，窦建德却连身金甲都舍不得，看来确实是平时勤俭节约惯了的。跑到汜水和黄河汇合的牛口渚，再也无路可跑，想起以前军中流传的歌谣“豆入牛口，势不得久”，心理登时绝望。犹豫间，杨武威拍马赶到，抬手就是一槊，刺在马腿上。窦建德一个不稳，跌落下来。眼见白士让跟着举槊刺来，慌忙喊道：“莫杀我，我是夏王。如若相救，富贵与共。”二人听得心花怒放，高兴得几乎要给他行礼——连忙绑了回营。
李世民收军升帐，检点敌囚，白士让和杨武威抢着上帐献功，报称拿住了窦建德。李世民大喜，即令将其推入。窦建德立而不跪。李世民也不在意，冷笑道：“我自讨伐王世充，你来凑甚热闹？”窦建德羞愧难当，回了一句：“今不自来，恐烦远取。”
这一仗，李世民以绝对劣势的兵力获得全胜，杀敌万余人，获得俘虏五万余人，擒获敌军主帅，可谓完美。唯一麻烦的就是那五万俘虏，唐军兵力太少，不要说消化，连看管都困难。在古代战争中，降军数目过多、难以消化时，一般都难逃被屠杀的命运。因为如果释放，就等于给敌方保留了一支有威胁的有生力量。秦赵长平之战，秦军以六十万俘获赵军四十万，秦末农民战争，项羽以六万俘获秦军三万，都是全部坑杀。甚至到了近代，拿破仑远征埃及时，以两万兵降四千卒，也是无法处理，只得全部枪杀。但这一次降卒实在太多，要想一次杀完都不可能，如果分批进行，一个不慎，就会引起暴动。无奈之下，李世民只得将他们就地遣散，这在中国古代战争史上是独一无二的。后来窦建德部将刘黑闼起兵，确实有不少人又重新聚集，继续和唐军作战。但在当时，只能释放。
处理完降卒后，李世民立即押着窦建德，回抵洛阳城下，用鞭指着囚车，仰呼城上道：“王世充！你看囚车里面，是什么人？便是来救你的窦建德。”王世充正在城楼，向下一瞧，果然囚车里闷坐一人，心理顿时凉了半截。差点立脚不住，从城墙上掉下来。这一下再无怀疑，万念俱灰，突然觉得功名霸业，都是虚幻，只求保住兄长、家人性命，再无他求。 王世充于是开城投降。