關附近與王世充部將郭士衡率領的數千兵馬會合，並在虎牢附近的廣武山紮營，嚴重威脅到唐軍的側背。幾乎同時，北方突厥的頡利可汗率兵進犯大唐北部重鎮並州、延州、原州等地。唐軍腹背受敵，處於極為不利的地位，鑒於情況危急，李淵密令李世民撤軍。
上文說到，鑒於情況危急，李淵密令李世民撤軍。而在這時，李世民的總管劉弘基等部將也建議撤軍，因為洛陽外圍戰已經打了8個月，洛陽城的攻堅戰又連續不停地打了10天了，將士們得不到休整，都非常疲勞.
如果竇建德大軍突破虎牢關，就有可能與王世充裡應外合，重創唐軍，因此不如立刻退兵。
可是李世民認為，如果退兵，幾個月來的流血犧牲就將全部付諸東流，不如擴大戰線，同時打擊王世充和竇建德，他認為，竇建德軍雖然人多，但他的部隊並沒有打過什麼硬仗，征戰三年多來，最大的對手就是駐守幽州的大唐燕郡王羅藝，而且屢戰屢敗，至今都沒有攻克幽州，所以他們並沒有和真正厲害的軍隊交過手，戰鬥力不能高估。這一路得勝又太容易，容易驕傲自大，如果派精銳部隊前去阻擊，並不是沒有勝算的。
因此，李世民力排眾議，並說服李淵下定決心將戰役進行到底，同時停止對洛陽的進攻，改為圍困，命令齊王李元吉指揮對洛陽的圍攻（李元吉和羅士信一樣，戰役開始時正在中原戰場，因此加入了征討王士充的作戰），圍城需要很多軍隊，否則容易被突破，李世民就將一半的兵力留下，又命大將羅士信和經驗豐富的老將屈突通等協助齊王，自己和尉遲敬德、秦叔寶、程咬金等將領帶著玄甲隊和其他精銳部隊共3500人立刻馳援虎牢，其他部隊隨後跟進。3月25日，李世民率玄甲隊等精兵強將進駐虎牢關，因此，在洛陽戰役尚未結束時，虎牢戰役又開始了。
李世民3月25日抵達虎牢關時，由於洛陽久攻不克，而竇建德軍人數又很多，所以部隊的士氣有些低落，李世民決定采取點措施來殺殺竇軍的威風。抵達後的第二天（26日），他借口出外巡視竇軍陣營，帶上尉遲敬德、秦叔寶、程咬金等猛將和500名精兵離關而去。半路上，他命令秦叔寶、程咬金等帶兵埋伏在樹叢中，自己僅帶著尉遲敬德和4個騎兵繼續前行，到達竇建德的營前時被哨兵發現，李世民大喊“我就是秦王！”，回頭就走，竇建德立刻派驍將殷秋、石瓚領著5000多騎兵追趕，李世民等且戰且退，將敵軍引到有伏兵的地方，秦叔寶、程咬金等突然殺出來，殷秋、石瓚本來就技不如人，現在又猝不及防，匆忙迎戰，頃刻間就被刺落馬下，雙雙被俘，追兵也被衝散，300多人斃命，李世民得勝歸來，軍心大振。
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隨後，唐軍大隊人馬也抵達了虎牢關。虎牢關地勢險峻，竇建德幾次派兵攻打，都被擋了回來，竇建德大軍一連20多天被堵在虎牢關外，糧草漸漸耗儘，將士們也疲倦了，開始想家，有人建議打道回府，管他王世充是死是活呢！4月底，就在大軍急需補給的時候，李世民派王Junkuo帶1000多兵馬偷襲了竇建德的運糧隊，大軍糧草被搶得一乾二淨，還俘虜了負責押運的大將張青特，軍心更加動蕩。鑒於這種情況，大臣淩敬建議放棄虎牢，向西進攻大唐的懷州、河陽，再翻越太行山，直接威脅太原等大唐的河東重鎮，逼迫唐軍撤兵解圍，但竇建德的部隊一直在河北作戰，很少有長途奔襲的經驗，這次遠征將士們已經叫苦連天了，再加上王世充的使臣重金賄賂，大家都不願采納淩敬的建議（和能征慣戰的唐軍比起來，竇軍的作戰能力確有問題，史料也記載竇軍“兵驕將惰”）。
看到軍心已經不穩，再拖下去將不戰自敗，竇建德就急於尋找機會和唐軍決戰，想借人多的優勢一舉成功，李世民猜透了竇的心思，就和大將們商議，決定將計就計，給他一個機會，把他的部隊引出營壘，伺機殲滅。
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