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李密没有觉察到敌军表现出的极为强悍的战斗力，而仅仅把单雄信的被偷袭当作一场意外。连宇文化及的十几万精兵骁将都被摧毁，在他手下一败再败的王世充又算得了什么！在这种骄傲心理驱使下，他甚至在扎营时连壁垒都不设，壕沟都不挖，草草了事，只等着明日双方展开大会战，一战将王世充了结。
第一天所作的试探性进攻的效果，让王世充心中有了数。看来多少天的艰辛努力没有白费，本军表现得相当精悍，而敌人不出所料，是那样的虚弱不堪。既然如此，可以进行决战了！入夜，王世充下令军士们喂好战马，尽早入睡。子时，他令二百多名精骑先行出发，潜入北邙山，在溪谷中偷偷地埋伏下来。随后又令伙房连夜就把早餐做好。到了丑时，他便叫醒将士，让他们坐在被窝里吃完了饭食。
九月十一日凌晨，王世充率军布好阵势，他对全体将士盟誓：“今天的战斗，不仅是要争个胜负，而且是要决生死。如果我们胜利了，各位荣华富贵自然到手。如果失败了，必定没有一人可以幸免。我们每一个人都是为保住自己的生命而战，不仅是为了国家。望大家清楚自己的处境，努力，努力啊！”
天快亮的时候，王世充率全军发动了进攻，由于没有遭遇到壕沟的阻拦，前锋很快逼近到北邙山脚瓦岗军营的简易栅栏边。瓦岗军大部分刚刚起床，还没吃早餐，看见敌人已呼啸而来，吓得一阵慌乱。李密迅速把军队开到栅栏后的空地上，还没来得及布成阵势，王世充便挥军推倒栅栏，凶猛地冲杀过来。他们是这样的强悍，瓦岗军前锋根本抵挡不住，不断惊惶地向后退却，但后面军士的退路被山脚挡住了，于是乱作一团，被王世充军像快刀切菜一般斩杀，一排排地倒下。瓦岗军后阵自相践踏，发出一片凄厉而杂乱的叫喊，一些人转身向山坡上奔逃。
李密见势不妙，在人群中大声疾呼：“高猛在哪儿，高猛在哪儿？”秦琼在上次童山战斗中腰部受伤，一直在家养病，昨日程咬金又受了重伤，内马军现在暂归高猛指挥。听到主帅李密的呼叫，高猛率数百名铁骑从乱军中挤了过来。
“快，向敌人反击！”李密挥剑向前一指，对高猛下令，“把敌人赶回去，一定要赶回去！”高猛回了声：“是！”随即狂吼着率身边的铁骑杀向敌军。在短短的百十丈路上，瓦岗步兵像受惊的兔子四散奔逃，内马军几乎是踩着乱军的身体，硬生生地在人群中趟开了一条路。
高猛率十几名长枪骑兵并成一排，打头向虎狼般张牙咧齿的敌军步兵冲去。几百名铁骑随后奔腾而上。李密又组织了几千步骑在身后紧跟而进。敌军步兵无法抵御瓦岗骑兵的冲击，几乎一触即溃。高猛率军乘势向敌阵纵深挺进，像船在水中行走一般开出了一条通道。敌阵猝不及防，出现了混乱。但王世充立即调来大队骑兵上前阻挡高猛的攻势。于是双方展开了一场混战。高猛的玄铁剑上下飞旋，一连砍倒了十几名敌骑，敌骑仍不顾死活，霸咧咧地密集着冲过来。那些主人坠地、浑身是血的战马夹在两队骑兵中间无处可逃，受惊地仰首悲鸣。敌骑一波接一波地冲撞过来，那些无主的战马受逼不过，竟顶得高猛的战马连连后退。高猛令身边的铁骑靠拢在一起，布成一个尖角形状，高猛就处在尖角的顶端，他一声吼叫，率领尖角向敌骑发动了强大的突击，一个个人头、断臂和肉块在刀剑下横飞。但是敌人再次用战马群、活人和死尸将他们生生地挤回。双方都有大批战马受伤倒地。这时，一名军佐从身后赶上来，向高猛传达了李密的收兵指令，高猛于是率骑兵缓缓退往北邙山脚，敌骑不知底细，也没敢追赶。
乘高猛率铁骑反击敌军之际，李密已经收拢了乱军，重新进行了简易地编队，在山脚和半山腰布成了阵势。这时天已大亮，太阳从山坡上照了下来，照在士卒惊恐而又咬紧牙关的脸上，照在李密阴郁而又有些焦急的脸上。李密明白，必须用一次胜利来鼓舞业已动摇的士气。于是他来到高猛身边，准备亲自带领骑兵冲锋，骑兵们非常振奋，发出了嗬嗬的欢呼声。
在李密和高猛的率领下，内军铁骑冲向敌阵。当前锋冲至离敌军将近百余丈的地段，敌军突然抬出事先准备好的强弩，发来密如飞蝗的羽箭，内军铁骑纷纷中箭倒下，战马横躺在地上，发出阵阵哀伤的嘶鸣。只有十几骑突入敌阵，但很快便被吞噬。
李密和高猛火速商量了几句，从后面调来大批盾牌，随后又迅速把骑兵布成三个大尖角。在向敌军射去一阵又一阵箭雨、逼得敌军忙于躲避之后，高猛带第一个尖角举着盾牌，迎着敌军的飞箭，率先突入敌阵；罗士信率第二个尖角，李密带第三个尖角紧随而入。敌阵开始扰动。高猛挥舞着玄铁剑，专朝集结成团的敌骑冲刺，一匹匹敌军战马扭动着身躯，摇摆着倒下，后面的敌骑哄然散开。高猛冲刺过后，用衣袖揩去脸上的血迹，回首一看，刚才散开的敌骑又渐渐地聚拢。他高举玄铁剑，再次冲杀过去。
裴仁基率领步兵方阵和新归附的樊文超、陈智略跟着杀了上来。在射出一阵阵箭雨过后，成排成排的盾牌举在前锋的头顶，挡住敌人的刀枪，然后长枪队枪头如飞，从盾牌的空隙向敌军步兵猛戳。一旦敌阵开始退却，樊文超便率领江淮短矛队从盾牌和长枪丛中豹子般钻出，对准敌军的腰胁猛刺；陈智略率领岭南骁果接力而进，像青蛙般跳跃着上下乱砍。为了在第一场战斗中建立功勋，他们的确表现得十分骁勇。
由于战场太小，瓦岗军庞大的兵力尚未完全展开，郝孝德带着数万名步兵密集在山脚下，向前作缓缓移动，等待着敌军后撤，为他们拉出空档。
尽管瓦岗步兵攻得十分凶猛，但王世充的步兵大阵仍将瓦岗步兵顽强地抗住，他们以极慢的速度向后步步退却。一旦阵脚不稳，在后面督阵的王世充便率领几千精锐士卒发动反击，这样双方基本形成了对峙。
王世充早就等着这一刻的到来。他突然令部下从军阵中拉出一个人，这人混身捆着绳索，军士们把他的乱发一掀，哎嘿，长得好像李密！军士们吼叫着将这人拖拉到两军阵前，对着瓦岗军大喊：“李密已经被我们抓获啦，你们还不投降！”王世充的士卒一看之下，高兴得狂呼：“万岁！抓住李密啦，抓住李密啦！你们赶快投降吧！”
瓦岗军的前锋恰巧都是新归附的陈智略、樊文超的队伍，他们对李密的相貌并不熟悉，以为主帅真的被抓获了，个个面露惊恐之色，强硬的手臂开始发软。
王世充军紧紧抓住对方的恐慌，全线压上去突击，将瓦岗军的军阵冲开了几十处缺口。那些江淮勇士扛着“永通”旗，在瓦岗步兵大阵内恣意砍杀，出入如飞。督阵的裴仁基无法掌控队伍，不断向后退却，与郝孝德的几万步兵合流后，竭力挥军去堵填像洪水一般泛滥的缺口。
但是，又有新的打击降临到瓦岗军的头上。正当两军交战之际，忽然听到有人尖利地呼喊：山上起火啦，山上起火啦！瓦岗军士卒回头看去，只见山腰和山脚的军营都冒出一道道浓烟，在阳光下飘着淡淡的火苗。面对这一奇变，将士们个个心慌意乱。
原来，在两军拉锯式交锋之际，埋伏在北邙山溪谷中的王世充军二百多名精骑紧急发动，冲上山顶，又冲到瓦岗军设在山腰和山脚中几乎无人防御的营盘，纵火将营中帐篷全部点燃。随后他们取出随身携带的上百面军旗，套在长枪杆上，站在山腰处，呼呼地摇晃着，还冲着瓦岗军大喊：“你们已经被包围啦，赶快投降吧！”
顷刻之间，瓦岗军步兵大阵全盘崩溃。人们潮水一般四处奔逃。在山脚处，成千上万的士卒拥挤在一堆，无数的头颅在腿孔和脚下呼叫着“救命”。裴仁基和郝孝德嘶吼着，挥刀四下里猛砍，想阻挡住溃兵的潮水，结果两人反被这潮水冲散。
瓦岗步兵的溃散，将内军铁骑的侧翼暴露给敌人。王世充立即令他的步兵向内军铁骑发动横击。在两下夹击之下，内军铁骑的军阵立即破成了十几个碎块儿。
李密眼看着军队全线崩溃，如坠云雾之中，脸上的吃惊之色像木雕一般凝固着。高猛率一百多名精骑护卫着他向东撤退。李密就像根木桩，呆痴地竖在马背上，勉强维持着没有掉下去。在奔逃了十几里地后，他们收拢了上万名溃兵。这时李密略略缓过一点神儿，派人向驻扎在偃师城外的单雄信送信，要他立即率外马军退向洛口。随后，李密率残军先向洛口退却。
新近归附李密的张童仁和陈智略被王世充军抓获。王世充对两人好言抚慰，两人立即向王世充投降。郝孝德和樊文超则死于乱军之中。
裴仁基率数千残兵绕到北邙山后背，逃进了偃师城。
单雄信本已将外马军在城外布好了阵势，准备按李密昨日的安排，从后背向王世充发动攻击。在接到李密要他向洛口撤退的指令后，他迅速率外马军撤走，刚刚出营二三里，王世充便率军向偃师城扑来，将偃师城围了个水泄不通。入夜，一些来自东都的降卒翻城与王世充军接上头，然后由内应打开城门，王世充军一涌而入。裴仁基、郑廷页、祖君彦、程咬金、裴行俨等数十名将官全被抓获。王世充劝众人投降，被众人拒绝，王世充居然没有施下杀手，而是将他们关押起来。
在内马军即将崩溃的时刻，罗士信依然跃马突进，结果身中数箭，从马上摔到地下，被王世充军抓获。王世充平素就知道罗士信的骁勇名声，于是亲自为他解开绳索。罗士信深为感动，便向王世充投降了。王世充模仿李密招降纳叛的样子，与罗士信同吃同睡，让罗士信在惭愧之余，又生了几分希冀，以为再次遭遇到了明主。
当初，王世充的家属留在江都，后来跟着宇文化及的回乡大军行至滑台，又随王轨投奔了李密，李密将他们留在偃师城，想用他们来招降王世充。等到偃师城破，王世充与他的哥哥王世伟、儿子王玄应、王虔恕、王琼等再次见面了。
用家属招降这一招儿，虽然李密没用上，却给了王世充以很大的启发。在攻破偃师后，王世充率军进逼洛口。他首先派兵到郊外去抓瓦岗军将士的家属，这可是李密压根儿没有想到的。结果洛口仓守将邴元真、郑虔象以及王伯当、单雄信、秦琼、高猛等人的父母妻子，都落到了王世充的手中。王世充亲切接见了这些家属，对他们厚加抚慰，让每家选派一名兄弟或家仆，偷偷进入洛仓城，去招降邴元真等将领。
邴元真原是一名县吏，因为贪赃被上司发现，便逃到瓦岗寨，投靠了翟让。翟让见他有行政经验，便让他做了书记员。等到李密建立魏公府，广泛选用优秀人才来做属官，翟让便推荐邴元真为元帅府长史，李密碍于情面任用了邴元真，但行军打仗等大事都不让他参加，只让他管理后勤事务。在职权范围内，邴元真仍像在隋朝官场中那般贪赃枉法。这次李密西征王世充，留邴元真防守洛口仓。当李密败回洛口后，部下宇文温私下对李密说：“不杀邴元真，必为大患。”李密不作一声。有人将这事告诉了邴元真，邴元真顿生异心。当他的家属带着王世充的密信找来后，他立即在队伍中筹划叛变，并秘密派人接王世充军过河。有人获知了内情，火速赶来向李密报告。李密有意不将这事说破，而是与秦琼等人筹划，想等王世充军有一半渡过洛水时，对王世充军突然发动攻击。
但是李密的时运是如此的不妙。当王世充的队伍过河时，李密的斥候由于过于劳累，在河边打了个盹。等他醒来后，王世充军已经全部渡过了洛水。他急忙飞马向李密报告，李密见良机已失，非常犹豫，考虑了半晌，还是决定放弃攻击。他令单雄信率外马军向他靠拢，准备凭坚固守。但这时单雄信也被家属和邴元真的密使说动，拒不接受李密的军令。
送信的军佐飞马还告李密，李密的脸色顿时大变，先是涨得通红，随后渐渐转为死灰。自从杀死翟让之后，单雄信一直表现怪异，郑廷页认为单雄信包藏祸心，劝李密把他杀了。李密正为冤杀翟让而后悔，不忍心再向单雄信施下杀手，甚至不忍心剥夺单雄信的兵权。现在在这最危急的时刻，单雄信果然率领相当一部分核心主力背叛了他。
王世充军布好阵势后，凶猛地扑了过来。李密估计无法与他对抗，便留下伤病尚未痊愈的秦琼和高猛率少数骑兵断后，自己率领身边的步骑向虎牢城撤退。
邴元真将仓城献给了王世充，单雄信也率外马军向王世充归降。秦琼和高猛所部骑兵则被王世充军团团围住。
高猛护着虚弱的秦琼，与敌军反复冲杀。他挥舞玄铁剑，一气斩杀了二三十名敌骑，夺路向东突围。刚刚冲下一个山坡，却又被五六百名敌骑拦住了去路，这时他身边只剩下十几名内军铁骑，大家相互鼓励着，准备与敌人血战到底。
突然，从敌阵中奔出一骑，口中大声喊叫着秦琼和高猛的名字。他自称是单雄信将军的侍卫，是单雄信将军要他前来秉报，秦琼的老母和高猛的全家老小，已经全部落入了王世充将军的手中；如果不投降，两位的家属性命难保。单雄信将军也正是为了家属的性命而归降了王世充将军。那人手中摇晃着一张纸条，说是单雄信将军的签字。秦琼和高猛让他单独走上前，从他手中接过纸条一看，的确是单雄信那歪歪斜斜的字迹，上面的文字证实那人所言不虚�