件事刺激了尉遲，他開始積極鼓動李世民先下手為強。正好此時突厥進犯，李淵命元吉掛帥出征，元吉則乘機點名要尉遲、秦叔寶、程知節等秦府勇將隨他同去，又要抽調秦王帳下精銳之士入齊王軍中，很明顯是要借刀殺人。李淵則裝糊塗，居然一一準奏。此前的鬥爭中，因為害怕留下罵名，李世民的原則是想讓建成、元吉先發動，然後自己以自衛為名動手，那後世就隻能說自己是正當防衛，最多是防衛過當而已。此時李世民仍受這個思路限製，下不了兵變的決心，尉遲和長孫無忌二人受秦府眾人推舉，撞入李世民房中苦苦相勸，尉遲更直言批評李“處事有疑，非智也；臨難不決，非勇也”。說到最後，尉遲、長孫二人乾脆提出辭職以激李世民，說什麼再這樣下去一定完蛋，你要殉節你自己去，我們是不敢陪你了。臣子敢這樣教訓主君，可能當時大家都被逼得急眼了。
李世民此時不反擊就必死，的確是時勢迫人，為了大家的性命（當然口頭上是為了天下百姓），李世民終於決定先下手為強。隨後，李入宮向李淵哭訴建成、元吉要殺他，還順便揭發那二人穢亂宮廷（天知道是否真有其事）。李淵為之愕然，於是傳旨召建成、元吉明日一早入宮與李世民對質。第二天李世民儘起秦府人手埋伏在玄武門，那是建成、元吉進宮的必經之路。建成二人不知有變，老老實實地按時入宮，結果遭李世民伏擊，雙雙斃命，史稱玄武門之變。
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玄武門之變的第一主角是李世民，而第一功臣就是尉遲了。事實上兵變相當不順利，事發當時，建成、元吉在進入埋伏之前已經發現不妙，因此伏擊變成了追擊。建成跑得慢，被李世民一箭射死，而元吉則逃進一片樹林。李世民追敵心切，跟著衝進樹林，不小心被樹枝從馬上掃了下去，一時摔暈了。元吉見此良機，跳出去奪了李世民的弓，打算用弓弦絞死他。千鈞一發之時，尉遲及時趕到，元吉見是尉遲，不敢動手，落荒而逃，結果被尉遲追上射死。如果不是尉遲，玄武門之變就是個笑話了。其實在玄武門之前，尉遲與元吉就曾交過手。那是在洛陽之戰中，元吉是李世民的副將，當時盛傳尉遲是馬槊高手，元吉一向以善馬槊而自負，因此向尉遲提出挑戰。尉遲擔心冒犯元吉，比武時隻避讓不還手，中場休息時，李世民問尉遲說，避槊和奪槊哪個難，尉遲回答說奪槊難，李於是命令尉遲出手奪槊，結果是片刻間元吉三次兵器脫手。也許當時李世民就預見到將來會和元吉兵戎相見，因此才要尉遲去試探元吉的實力。真是奇妙的巧合，這件事幾年後竟然發揮了奇效，正是因為元吉怕極了尉遲，所以才會放棄難得的殺人機會聞風而逃，李世民真是好運。
建成、元吉入宮時也不是全無準備，二人安排了手下精兵二千餘人在宮外等候，這些人發現有變後，拚命攻打玄武門，意圖衝入救駕。秦王府人手不足，即使有玄武門的駐軍協助，仍然抵擋不住。情急之下，尉遲斬了建成、元吉的首級，拿去給二人的手下，告訴他們大勢已去（其實這些人如果繼續進攻，拚個同歸於儘是很有可能的）。太子黨見主君已死，於是作鳥獸散。不過太子府和齊王府仍有強大的勢力，局麵仍未穩定，於是李世民派尉遲去向李淵逼宮，要李淵降旨承認即成事實。
這時李淵還在宮裡等著讓三個兒子對質，聽到外麵亂七八糟，正派人出去查看，劈麵碰到了全副武裝手持凶器的尉遲帶人闖入。李淵大驚失色，喝問尉遲是何道理。尉遲回答說太子和齊王作亂，已經被秦王殺了，秦王怕有人謀害陛下，派臣前來護駕。以李淵的政治素質，當然立刻就明白發生了什麼，也明白大勢已去，於是當尉遲要求下旨命令太子、齊王部下停止反抗時，李淵立刻就服從了，下手令說建成、元吉作亂，諸軍歸李世民節製。太子、齊王殘部見到李淵的手令，也就停止反抗，李世民獲得全麵勝利。
接下來當然是論功行賞，尉遲和長孫無忌並列功勞第一，分別賜絹萬匹。為了感謝尉遲救命之功，李世民特命將齊王府全部財產轉到尉遲名下，那是唐朝立國以來創記錄的一次重賞了。想來實在是夠殘酷了，李世民親手殺了建成，凶手搶到了被害者的太子位子；尉遲親手殺了元吉，凶手搶到了被害者的全部財產。
建成、元吉倒台後，他們的部下自然被視為逆黨，各地郡縣為討好李世民，紛紛動手擒拿太子黨羽送往長安。其中難免泥沙俱下，乘機誣告陷害的也不在少數，一時鬨得烏煙瘴氣。秦王府的功臣們對太子黨是有深刻仇恨的，於是紛紛請求李世民嚴厲處分那些倒黴家夥。出人意料的，竟然是尉遲站出來為太子黨求情，說大局已定下再搞大規模清算，不利以後的安定團結。尉遲本是武人，竟然有這樣的政治頭腦，應該是非常難得了。這大概與他自己的切身經曆有關，尉遲自己就曾是劉武周的手下，劉武周被李世民消滅後才投降，投降後卻幾乎因謀反嫌疑被屈突通乾掉，那種戰戰兢兢受人疑忌的委屈他是深有體會。從這點上看，尉遲與太子黨殘部是有共同語言的，他比其他人更能理解和同情太子殘部也是理所當然。
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