令调集关中全部兵马，交由李世民统领，并且亲自驾临长春宫，为李世民率军出征践行，寄予厚望。
同年十一月，时值寒冬，黄河河面结冰，李世民抓住战机，率领大军奔赴龙门关，踏过厚厚的冰层渡过黄河，大军进驻柏壁，与宋金刚主力部队再次形成对峙之势。没过多久，前线传来急报，永安王李孝基在夏县被宋金刚军队击败，于筠、独孤怀恩、唐俭等一众将领，全都被敌将寻相、尉迟敬德俘虏，敌军正准备押解着俘虏返回浍州。李世民当机立断，派遣殷开山、秦琼率领军队，在美良川设下埋伏，拦截敌军。唐军伏兵四起，大败敌军，寻相等人仅只身逃脱，其部下全部被唐军俘虏，殷开山、秦琼率军大胜而归，重回柏壁大营。
经此一胜，唐军众将士气高涨，纷纷向李世民请战，要求主动出击宋金刚。李世民却依旧沉稳，劝阻众将道：“宋金刚率领军队千里奔袭，深入我大唐腹地，其麾下精兵强将，全部集中在此。刘武周占据太原，全部依仗宋金刚的部队抵御我军。宋金刚看似兵力雄厚，实则内部粮草空虚、后援不济，一心想要速战速决。我军只需巩固营垒，养精蓄锐，以此挫伤敌军锋芒，等到他们粮草耗尽、计谋穷尽，自然会不战而逃，届时再出兵追击，必能大获全胜。”
武德三年（公元620年）二月，宋金刚大军终究因为粮草断绝、士卒饥饿难耐，军心彻底崩溃，只得下令全军仓皇逃遁。李世民得知消息后，立刻率领大军奋起直追，一路马不停蹄，直奔介州。宋金刚逃至介州后，停下脚步，排出南北长达七里的军阵，拼死抵抗唐军。李世民从容部署，派遣总管李世勣、程咬金、秦琼率军抵挡宋金刚北面的军队，命翟长孙、秦武通率军抗击宋金刚南面的军队。
战事初起，唐军各路军队与敌军激战，稍稍退却，被敌军占据上风。李世民见状，亲自率领精锐骑兵，绕至敌军后方，突袭宋金刚的阵营后部。敌军腹背受敌，阵脚大乱，全线溃败，唐军乘胜追击，一路奔袭数十里，杀得敌军丢盔弃甲。
战役尾声，敌将尉迟敬德、寻相率领麾下八千残部，主动向李世民归降。李世民依旧对其信任有加，下令让尉迟敬德继续统领这八千降兵，并且将其与自己的嫡系军营混编在一起。大将屈突通心中担忧，唯恐尉迟敬德趁机发动叛变，多次向李世民进言，请求收回兵权，不要让尉迟敬德统领降军。李世民却坦然说道：“昔日光武帝刘秀对待部下，推心置腹，以诚相待，故而能让天下英才尽心效命。如今我委任尉迟敬德统领旧部，又何必心存疑惧呢？”
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