至此，李世民的顾虑全消，决心放开手脚大干了。他命令尉迟敬德去召房玄龄和杜如晦等人，以便最后确定具体部署。房、杜由于与秦王府隔绝，还不知道时机已经完全成熟，也不了解李世民已经痛下决心，遂简单地回答说：“敕旨不听复事王，今若私谒，必坐死，不敢奉教！”李世民大怒，对敬德说：“房玄龄、杜如晦竟敢叛我！”于是取所佩之刀授与敬德，对他说：“公往观之，若无来心，可断其首以来。”敬德与长孙无忌秘密来见房、杜，对他们说：“王已决计，公宜速人共谋之。”于是，房玄龄、杜如晦化装成道士与长孙无忌同行，敬德从另一条路走，会齐于秦王府。
正当秦王府紧锣密鼓地准备起事时，又发生了一件事，几乎使李世民的政变流产。
这件事发生在武德九年六月，太白星屡现于白天，太史令傅奕密奏：“太白见秦分，秦王当有天下。”这一天文现象，《新唐书·天文志三》也有记载。对于这一现象，古人的解释是凶兆、灾变一类，主兵丧、谋逆、更王，即更换君主。高祖得到这一奏报，当然感到非常震惊，遂于六月三日召见李世民，并将傅奕此状拿给他看，这等于拿到李世民谋反的证据，当面出示，欲加治罪。此事并非虚构，因为天文志上也有这一星象的记录。后来李世民当了皇帝，曾对傅奕说过这样的话：“汝前所奏，几累于我。”可见当时李世民的确相当狼狈。
然李世民毕竟不同于常人，他在这一突然变故面前还是沉住了气，上奏说：“臣于兄弟无丝毫负，今欲杀臣，似为世充、建德报仇。臣今枉死，永违君亲，魂归地下，实耻见诸贼厂并灵机一动，密告建成、元吉淫乱后宫。李世民说这番话是为了达到两个目的：其一，他一再提到王世充、窦建德，是提醒高祖，自己对唐朝是有大功的，使高祖不便轻易对他下手。其二，反映建成、元吉有淫乱宫闱之事，可以起到转移打击目标的作用，且此类事都是在秘密状态下进行的，短时间内谁也说不清楚，这样就可以为自己发动政变争取时间。大约是高祖平日间见到建成、元吉确已同一些妃嫔往来频繁，而且她们也经常在高祖面前说二人的好话。听李世民这么一说，心中疑惑，中了秦王之计，便对他说：“明当鞫问，汝宜早参。”意思是明天一定要当面讯问，你应当早点来朝参对质。这样，李世民就争取到了宝贵的一天时间。回到秦王府，连夜商讨对策，决定次日清晨采取行动，先发制人，一举摧毁东宫集团，夺取皇位。
李世民决定发动政变，一方面是迫于形势，因为不如此不足以自保，另一方面他对政变的成功也是很有信心的，这种信心源于自己的实力。他从不打无准备之仗，也不打无把握之仗，不动则已，一动即成，这是李世民一惯的作风和原则。
明经18事关成败，要敢于抗上
“建成、元吉本不预义谋，又无功天下，疾秦王功高望重，共为奸谋。今秦王已讨而诛之，陛下若委之国事，无复事矣！”
——李世民
越是在危急关头，李世民越是能表现出超乎常人的冷静。在这种时候，他清楚地知道自己该干些什么。
在李世民密告建成、元吉淫乱宫闱之事后的第二天，高祖召宰相裴寂、萧踽、陈叔达等人人宫，准备审讯建成、元吉。
李世民命尉迟敬德、长孙无忌、侯君集、张公谨、公孙武达、独孤彦云、刘师立、杜君绰、李孟尝、郑仁泰等人率兵在皇宫北门（即玄武门），在守将敬君弘、常何等的配合下埋伏于此。这时，张婕妤已经觉察到秦王府的异常行动，派人驰马报知李建成。李建成遂召李元吉来商议，李元吉主张立即发动东宫军队，做好准备，托病不朝，以观形势变化。李建成认为，“兵备已严，当与弟人参，自问消息。”遂与李元吉骑马直趋玄武门而去。当他们走到临湖殿时，发觉情况异常，立即调转马头向东宫奔去。李世民紧追不舍，元吉回头张弓便射，连续三次都没有把弓拉满，所射之箭达不到射程，可见元吉已经仓皇失措到何种程度。李世民首先射死李建成，李元吉被随后追来的尉迟敬德的部下射下马来，由于伤势不重，他慌忙逃人附近树林之中，李世民的马受惊，被树枝所挂落下马，元吉见机会来了，返身夺过李世民的弓，结果欲加伤害他，正好敬德赶到，元吉只好放开世民打算逃到武德殿去，被敬德追射而死。
建成、元吉死后，东宫与齐王府的精兵二千余人在冯立、薛万彻、谢叔方等将的率领下赶到玄武门，与秦王府军队展开激战。张公谨见对方人多势大，遂关闭宫门拒守，东官兵猛攻不下。掌管北门屯兵的将军敬君弘与吕世衡开门迎战，被东宫军队杀死。双方激战了很长时间，薛万彻见宫门一时难以攻破，遂鼓噪欲攻秦王府，秦王府“将士大惧”，因为其精锐之兵皆在玄武门，秦王府空虚，如果东官兵进攻，必然很难守得住。正在此时，尉迟敬德持建成、元吉之头出示，东官兵见主人已死，遂溃散逃去。
这时，唐高祖还不知发生了政变。正在宫中的海地泛舟。李世民命尉迟敬德人宫宿卫，敬德擐甲持矛直奔高祖而来，唐高祖见状大惊，知道出了乱子。敬德对高祖说：“秦王以太子、齐王作乱，举兵诛之，恐惊动陛下，谴臣宿卫。”高祖回头对裴寂等人说：“不图今日乃见此事，当如之何？”萧踽、陈叔达回答说：“建成、元吉本不预义谋，又无功于天下，疾秦{功高望重，共为奸谋。今秦王已讨而诛之，秦王功盖宇宙，率士归心，陛下若处以元良（指太子），委之国事，无复事矣！”此时建成、元吉已死，敬德名为宿卫，实是武装胁持，在这种情况下，李渊只好言不由衰地表态：“善，此吾之夙心也。”这时长安城中双方混战仍在进行，敬德要求高祖下敕，命诸军皆接受秦王指挥，李渊只得照办，并派天策府司马字文士及外出宣读敕令，战斗始得以平息。然后，高祖又让裴矩到东宫晓谕将卒，将他们全部解散。
唐高祖李渊干完这些事后，李世民这才出面来见他的父亲，并抱着李渊大哭，“跪而吮上乳”。据说李渊“体有三乳”。李世民此时这个动作完全是故作亲呢之态，他在诛杀兄弟，逼迫父亲的胜利时刻，仍然没有忘记保全仁孝名声，这位政治家的心机真是用到家了。唐高祖此时此刻的心情真是复杂极了，两个亲生儿子被杀，还不敢稍有愤怒或悲伤的表示，反而安抚李世民说：“近日以来，几有投杼之惑。”这里用了一个典故，是说有一个与孔子的学生曾参同姓同名的人杀了人，有人告诉曾参的母亲说你儿子杀人了，曾参之母不相信，仍旧坦然地织布。当第三个人以同样的话转告时，曾参之母对儿于的信念动摇了，于是投杼（梭）下机，越墙而逃。
李渊借用这个典故比喻自己像曾参母一样听信了别人关于李世民的坏话，实际上是向李世民表示歉意，可见这位皇帝已经沦落到何种可悲的地位。
李世民政变成功，大权在握，遂下令处死了李建成的五个儿子，即安陆王承道、河东王承德、武安王承训、汝南王承明、钜鹿王承义。李建成的长子太原王承宗早死，这样李建成一门就全都死光了。李元吉也有五个儿子，此时年纪尚幼，也全部被杀，即梁郡王承业、渔阳王承鸾、普安王承奖、江夏王承裕、义阳王承度。李建成死时三十八岁，李元吉仅二十四岁。李世民在胜利之后，大杀诸侄，斩草除根，可谓心狠手毒，后人对此评价说：“是时高祖尚在帝位，而坐视其孙以反律伏诛，而不能一救，高祖亦危极矣！”并认为李世民此时尚未即位，以谋反之罪诛杀诸侄，其罪名不能成立。其实，就算李世民已经是皇帝了，元吉诸子尚年幼不懂事，又怎么会谋反呢？不过政治斗争是无情的，不得以常理评论，骨肉之亲在残酷的政变中不免显得苍白无力，李世民此举也无可厚非。
六月七日，也就是玄武门之变三天后，唐高祖下诏立李世民为皇太子。秦王府的官员也纷纷改换头衔，宇文士及被任为太子詹事，长孙无忌、杜如晦为左庶子，高士廉、房玄龄为右庶子，敬德为太子左卫率，程知节为太子右卫率，其他人等都改任东宫各种官职。由于敬德在政变中冲杀在前，功劳甚大，便把齐王国司的金帛什器赏赐给他。
就在这一天，高祖文下一诏，规定“自今后，军机、兵仗、仓粮，凡厥庶政，事无大小，悉委皇太子断决，然后闻奏”。李渊被迫交权是真，“然后闻奏”四字，不过是为了皇帝面子的一块遮羞布，实际上已没有什么真正意义了。这月十六日，高祖已经知趣地打算自己退位去当太上皇，要求裴寂等人择好日子，宣布退位。大概是李世民觉得这么快就使父亲退位，容易给人留下逼父下台的口实，所以拖了一段时间，使得李渊又继续做了两个月的空头皇帝。
玄武门之变充分暴露出李世民的野心和胆识，就如同他的冷酷无情一样令世人昨舌。在事关成败，亦是生死存亡之时，他敢于无视皇权，抗上且犯上，用最极端的手段来维护自己和达到自己的目的。李世民正是由于具备了这种“临门一脚”的硬工夫，所以他笑到了最后。
明经19弃怨，用才，雄豪气度
“信用东宫僚属，化敌为友，秉弃前嫌，尽归我用，人心稳定。”
——李世民
玄武门之变后，秦王府诸将要求乘势将建成、元吉部下百余人全部诛杀，抄没家产。尉迟敬德不同意，争论说罪在建成、元吉二人，元凶既诛，滥杀支党，会使人心不安，社会不稳。李世民认为有道理，于是以高祖的名义下诏，大赦天下，除建成、元吉等元凶外，其余党一概不问。这一政策的推出，对于很快稳定政变后的局势，起了较大的作用。
建成部下将领冯立、谢叔方得知大赦诏令后，自动投案。
薛万彻逃人南山，隐藏起来，经李世民屡次派人劝谕，也到长安投案。李世民认为，他们都能忠于所事之人，皆是义士，释而未问，并授予军职。太子洗马魏征，曾劝李建成早日除去秦王，这次被获，李世民斥责他说：“你为什么要离间我们兄弟关系？”魏征镇定自若地回答：“先太子早听我的话，必无今日之祸。”李世民平日就敬重魏征之才，遂任命他为詹事府主簿。对于流放在外的王硅、韦挺等人，也都召回长安，任命为谏议大夫。
虽然有赦诏书颁下，但散在民间的东宫集团余党仍不自安，有些人专门以告发别人而获赏。谏议大夫王硅把这种情况反映给李世民，遂又再次下令，凡是六月四日以前与建成、兀吉有牵连者，六月十七日前与李瑗（见前述）有牵连的人，都不准互相告发，违反者治罪。采取这一政策对消除混乱，安定人心，争取多数，起到了很好的作用。
李世民对于原东宫、齐王府人员的这种争取、分化的策略，是他政治经验日益成熟的表现。当然，在他即位初期，由于对这些人尚不很了解，虽然给以出路，任以官职，但并非是掌实权的要害部门。后来，随着时间的推移，逐渐地对他们的才干、人品有所了解，对其中一些人还给予了重用，最典型的就是魏征、王硅、薛万彻等人，都是贞观时期的重要人物。
比如他曾对魏征说：“魏征往者实我所仇，但其尽心所事，有足嘉者，朕能擢而用之，何惭古烈？”对于那些至死不悔者，则予以坚决镇压，如李瑗、李艺等人，先后发动叛乱，不予以武力镇压则不利于国家的安宁与社会稳定。
明经20厚葬太子，暗合传统
“诏息隐王可追复皇太子，海陵刺王元吉追封巢王，谥并依旧。”
——李世民
太宗李世民深知自己杀兄夺位有亏于道德伦理，为了消除这方面的不良影响，他在即位不久，即武德九年十月，下令追封李建成为息王，谥曰“隐”，按照《谥法》：“隐拂不成曰隐。”又封李元吉为海陵王，谥曰“刺”，《谥法》：“暴戾无亲曰刺。”这样做既表明玄武门之变的正义性，又可以显示太宗的仁爱之心。以王礼改葬，埋葬之日，太宗亲自送于宜秋门，哭之甚为哀痛。魏征、王硅请求陪送到墓地，太宗遂命原东宫、齐王府缭属全都前去送葬。不久，又以皇太子赵王李福为建成后嗣，以示不绝烟火之意。这一做法对于重视家族延续的古人来说，无疑是非常重要的，这样就缓解了本来十分激烈的秦王府与东宫之间的矛盾。贞观十六年六月，太宗又下诏恢复李建成的皇太子地位与名分，李元吉改封为巢王，“谥并依旧”。这样做仍是出于维护封建伦理道德的需要。
在中外历史上，不少政变成功者上台后，对原来的政敌采取高压、残暴的镇压或报复手段，致使人心浮动，社会久久不能安宁，其统治地位往往也难迅速巩固。太宗以其杰出的政治家的风度与气魄，妥善地处理了政变遗留问题，使数百上千人的原东宫、齐王旧部，“心术豁然，不有疑阻”，缓和了统治集团内部矛盾，巩固了太宗的统治地位，使他可以很快地把主要精力用于抵御外来侵扰，发展生产上去。