困守孤城的王世充日漸勢微，只好向原本交惡的夏王竇建德發出援助請求。竇建德麾下中書舍人劉斌以“唇亡齒寒”為由建議發兵。次年的三月，竇建德在兼併山東義軍孟海公部之後，親率10萬精兵向西馳援王世充。
夏軍來勢洶洶，一路上連下管州，滎陽（今河南滎陽），陽翟（今河南禹州）等地，迅速逼近虎牢以東的東原一帶。此時，處羅可汗再度發兵南下進犯幷州，石州（今山西呂梁），李唐王朝情勢萬分危急，李世民在青城宮召開軍事會議，採納宋州刺史郭孝格，記室薛收之策，將主力一分為二，由齊王李元吉，將軍屈突通繼續圍困洛陽，自己則以步騎驍勇3500人為前鋒搶佔虎牢要地，與竇建德形成對峙的局面。
竇建德所部初時連戰告捷，卻在與李世民接觸後屢屢受挫，運糧隊又為唐軍將領王君廓率輕騎截擊，人心思歸，士氣開始低落。部下凌敬勸諫竇建德率主力渡過黃河，攻取懷州，河陽（今河南孟州），再翻越太行山，入上黨，攻佔汾陽，太原，向蒲津進軍，以迫使唐軍回救關中。但由於夏軍將領大多接受了王世充使者的賄賂而力主直接就洛陽，凌敬的合理建議並未能被竇建德所採納。
武德四年（621）五月初一，李世民率部渡過黃河，以戰馬千皮在河中沙洲放牧，誘使夏軍出擊。次日，夏軍果然傾巢而出，於沂水東岸接營20餘里擂鼓挑戰，李世民也在西岸列隊相峙。經過認真觀察與分析情勢之後，李世民認為夏軍未經大戰，現在度險而進，有輕視唐軍之意，一戰可破。遂決意按兵不動，待夏軍疲憊再行進擊。
次日午時，竇建德部下士卒飢渴難耐，紛紛坐臥在地，夏軍陣形立即呈現動搖之勢。李世民見狀當機立斷，下令出擊，並親率輕騎衝鋒，爾後主力繼進。竇建德君臣正在帳中議事，猝不及防間未及列陣抵抗，不得已向東撤退，唐軍竇抗部緊追不捨。
激戰之中李世民又令驍將秦叔寶，程知節，宇文歆等部迂迴至夏軍的後路，分割敵人的同時展開秦王大旗，夏軍見狀驚慌潰逃，為唐軍追擊30餘里，斬首3000餘人，俘獲數萬。竇建德本人也身受重傷，為唐軍騎將軍白士讓，楊武威俘獲，其餘士卒大半潰散，僅竇建德之妻率數百起逃脫。
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