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新围攻霍邑。
李渊的这个重要战略决策，对李渊的发展，有着决定性的影响，首先李渊刚刚起兵，军心士气还不巩固，如果遇挫折而退兵，必然会陷于瓦解不可复振。再者关中战略地位重要，而且当时空虚，图之者还大有人在，关西的薛举也意图关中长安，还有差不多就在李渊起兵同时，柴孝和就曾劝李密舍掉洛阳入关中，以图天下，李密没有采纳，但时间一久，变化就不可知了，所以必须趁机，捷足先登。如果李渊没有改变他自己退兵的决定，李洲可能会像李密一样最后对关中无能无力，从而丢失争霸天下的根本。
八月，大雨停止了，回军的李渊率骑兵沿小路奔霍邑，宋老生守城不出。李渊无奈就派李建成、李世民率领几十骑到城下辱骂宋老生，同时自己率领骑兵在城东埋伏。宋老生乃率众三万自东门、南门分道而出。李渊这时即同李建成左军结阵于东门，令李世民右军结阵于南门，以断宋老生的逃路。成阵之后，又怕宋军背城不肯远战，乃命令军队向后收缩，伪作退避宋军模样。宋老生果然认为李渊畏缩，在距离城一里余地方布阵。不久李渊的后续部队来到，李渊想命部队就食后再战，李世民认为，“时不可失”，遂发动了的进攻。一交锋，李渊、李建成在城东的阵势不利，便向后引退，李世民发现宋老生大军侧背暴露，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。