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大军侧背暴露，即引兵自城南直冲宋老生军阵后，并扬言已俘虏宋老生，隋军大溃败，李渊得以迅速占领了霍邑。
李渊在攻占霍邑之后，乘胜连下临汾、绛郡(山西新绛)，进逼龙门。关中势力最大的一支农民义军孙华和冯翊（陕西大荔）太守萧造投降李渊。李渊于是一方面率主力围攻河东，另一方面派王长谐等率一部分兵力在孙华的协助下渡过黄河，在河西设营，造成了对河东围攻的有利形势。
由于屈突通在河东凭坚城固守，李渊大军主力没有进展，李渊便想绕过河东直趋长安。这时，裴寂认为：屈突通兵力不小，凭坚以守，若舍之而去，如果攻长安不下，退为河东所乘，“腹背受敌”很危险，应该先打下河东再前进。而次子李世民和裴寂的意见再次不同，他认为：“兵贵神速”，应该乘势迅速入关，则长安震惊。“智不及谋，勇不及断”，攻取很容易。否则，顿兵坚城，空耗日月，长安就能从容以备我，成功就难了。于是李渊就以一部兵力继续围攻河东，自己率主力渡河入关。
过河后，李渊命李建成、刘文静等率军数万人向南迂回，占领永丰，扼守潼关，以戒备东方；命李世民、刘弘基等率军数万人，向渭水北岸进军，控制长安外围各要点，然后攻占长安。而李渊自己则控制一部兵力在朝邑，指挥各方向作战。
李渊大军渡过黄河后，声威所至，隋朝官吏纷纷投降。华阴令李孝常献永丰仓投降，使李建成等得以顺利地占领永丰仓。李世民所到之处，收编隋军和各小部分起义军，短期内“胜兵九万”设营在泾阳，并派刘弘基攻取了扶风，渡过渭水，屯军在长安故城。原在关中地区的李渊亲族，如其女李氏，婿段纶，族弟李神通等，也响应李渊起兵，并与长安附近各小部分起义军会合，占领了兰田、盏屋、武功、始平等地，人数到了十余万人，皆统一归李世民指挥。
李渊渡河以后，先在朝邑，以后进到冯翊。见攻取长安的时机已经成熟，乃命李建成率精兵自永丰仓经新丰(陕西临潼)到长乐宫(长安东北)与李世民所部完成了对长安的包围。此时，陕北各郡县也纷纷请降。
十月，李渊率军自冯翊到长安东北，各军会合，实力发展到几十万人。十一月，李渊汇合李建成、李世民、刘弘基之兵20余万攻打长安。进攻长安前，李渊下令不许侵犯隋朝七庙和代王宗室，违令者夷其三族，遂命诸军攻城，军头雷永吉率先登上城头，京城长安很快被李渊攻克。