王世充在山腰看得清楚，见时机已至，遂命吹号出击。
两万精卒闻号顿起，居高临下发起冲锋。分五千兵冲向李密营地，放火焚烧军营；其余一万五千兵直下山坡，杀入战阵。
瓦岗军本来已是精疲力竭，忽见大营起火，便都心慌；待一万五千生力军杀至，更是无力抵敌，于是分头四散，各自逃生。便是有各家寨主尚能战者，因不屑李密未与众兄弟商议，便私自投降隋皇泰帝，因此懒于拼命，顺势皆退。
张童仁、陈智略本为隋将，此时见风使透，复又临阵投降隋军。
裴仁基、祖君彦等数十人死战不退，力尽被俘。
王世充乘胜追击，来攻偃师。李密率残兵万余人逃跑，退守洛口仓。
李密逃走，偃师守将郑頲部下暗中叛变，将主将擒执，并城池一起献给王世充。
分驻各地守将见大势已去，便纷纷转向王世充投降，秦叔宝、程知节、罗士信、裴仁基、祖君彦、单雄信等名臣大将，皆在其内。
李密准备退守洛口仓城，长史邴元真暗中派人给王世充送信，勾引其军跟踪偷袭。李密察觉其谋，表面若无其事，准备重操故伎，在王世充部队半渡洛水时，予以突然袭击。
但人算不如天算，又是由于内奸偷作手脚，王世充军已渡过洛水，李密报警人员却未曾发出暗号，贻误战机，王世充偷袭成功。
李密自感力不胜敌，带领随行人马逃遁，奔向虎牢，邴元真献洛口仓城以降王世充。
此次北邙之战，王世充大胜，共俘降瓦岗军十余万人，将领数十人。李密率残部逃至河阳，犹企图南阻黄河，北守太行山，东连黎阳，以图进取。
但诸将情绪沮丧以极，认为大势已去，难以恢复。李密进退维谷下，于是抛弃众将，与王伯当、贾闰甫率残部二万人进入关中，投降唐朝。
其余众家寨主将帅以及州县首领，如李公逸、裴行俨、周法明、杜才干、徐圆朗、周文举、王当仁、刘黑闼等，先归王世充，后又转投唐高祖李渊。
魏徵前往河北，暂时归附窦建德，后随徐世积、张善相