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，没有继续撤往太原，与李世民对耗起来。为了保障运往临汾的粮食通道，宋金刚命令尉迟敬德率领三千兵马增援介休，并保护粮道。
620年二月，李世民令刘弘基率领一万兵马北上，增援汾阳守军，站稳脚跟后，袭扰敌军粮道。在刘弘基、王君廓和沿线其它唐军的袭扰下，620年四月，与唐军相持约五个月的宋金刚军终因粮秣断绝，被迫以寻相部为后卫，向北撤退。
李世民立刻出动全部人马追击，追到断后的寻相，大败其军，并乘胜追击逃敌，李世民带头一昼夜追了二百里，打了十几仗。到高壁岭时，有三分之一的人马掉队，记室参军房玄龄对李世民规劝道：“秦王大败敌军，紧追到此，将士疲惫不堪，多有掉队，秦王当先征战，也要爱惜身体。”
李世民答道：“宋金刚无计可施才率军逃跑，已经军心涣散。我军追的艰苦，他们逃的更加窘迫。此时正是一举擒杀他的大好时机，一旦纵虎归山，悔之晚矣。有此良机，我自当竭尽全力，岂能顾及身体！”
李世民打马继续追击，将士们也不敢再提饥饿。唐军在雀鼠谷追上宋金刚，一举击垮了宋金刚的数万人队伍、杀死和俘虏的敌军有上万人。当夜，在雀鼠谷西原宿营，李世民已经两天没有吃东西，三天没有脱下盔甲了，前军只有一只羊，李世民与将士们分吃了这一只羊。
第二天，李世民带兵赴介休，宋金刚收拢了二万人，出介休城西门，背对城墙排列战阵，南北长七里。李世民见此，明白宋金刚有背水一战的意思。命令徐世绩率领右翼兵马，攻敌侧翼（敌阵列南侧），然后诈败撤退，中军也顺势撤退，引敌来追。自己率领所有骑兵绕到敌军北面，
待敌军追击你部之时，从后掩杀。
徐世绩依计而行，在激战之时，鸣金撤退，侧翼唐军撤退之时，许多原来冲锋在前，现在身处最后的兵士被敌人追上杀死，渐渐右翼军呈溃败之势。敌军在追击过程中，也无军阵之形，正是最怕骑兵冲击之时。
李世民率领骑兵从宋金刚背后掩杀过来，中军也趁势反攻，宋金刚大败，回城之路已被截断，只好向北面的平遥逃窜。李世民率兵追出几十里，来到张难堡。唐浩州行军总管樊伯通、张德政占据堡垒自卫，李世民摘下头盔示意堡内，堡中守军见后欢呼雀跃，高兴得流下泪来（终于得救了）。随从告诉守军秦王还未进食，守军献上浊酒、粗米饭。
在李建成与刘武周相持的战区，到了 620年三月，处罗可汗的五万突厥兵的战马饲料已经告罄，只好告知刘武周，自己要率领突厥兵返回草原，让其坚守待援，只需三个月，就可重新來援。处罗可汗在撤退时大肆在占领区抢掠，将太原近万青壮男女掳走作为奴隶。
突厥兵一走，刘武周的防线顿时捉襟见肘。高开道率部突破防线直插马邑，刘武周只好命苑君璋率部前往马邑增援。屈突通弃雁门而不顾，率大军直扑太原，刘武周为保全宋金刚大军退路，亲率兵马增援太原。
雁门城在幽燕联军的进攻下，不久就被攻克，为进攻马邑和太原的二路大军解除了后顾之忧。
刘武周进驻太原，发现太原已被掳掠一空，城中剩余百姓对刘武周部队充满敌视，根本不能长期坚守。当听到宋金刚全军覆没，正在向太原方向逃窜，身后是数万唐军在追击，只好弃城，试图领兵退往马邑，却被屈突通大军迎面截住，刘武周的军队早已军心涣散，一触即溃，四散而逃，只有数百骑兵保护着刘武周冲破阻截，逃往马邑去了。
刘武周的踪迹被信联帮侦骑发现，飞鸽传书雁门郡的宋成，宋成率兵阻击，斩杀了刘武周。
宋金刚收拾残部，准备再战，听说太原已失，刘武周大败而逃，只能继续逃跑，沿途到处是唐军堵截，最终宋金刚只带领一百多骑兵进入荒漠，逃到了突厥。
尉迟敬德收拾残部困守介休，李世民派任城王李道宗、上仪同宇文士及前去晓谕，尉迟敬德和寻相以介休、永安二县一起降唐。李世民对尉迟敬德左手鞭右手槊的骁勇无敌印象深刻，得到尉迟敬德非常高兴，任命尉迟敬德为右一府统军，让其统领护卫营。
处罗可汗听闻刘武周战败身亡，只好另起炉灶。从窦建德处迎来隋朝的萧皇后以及齐王杨暕遗腹子杨政道，并立杨政道为隋王，继隋业。行隋的正朔纪年，设置百官，居于定襄城（今内蒙古呼合浩特南部），人口达一万。（注：杨政道王朝史称后隋，直到 630年与颉利可汗的突厥一同灭亡。）
处罗可汗还打算召集各部落武装，重新夺取并州（太原），以安置杨政道，不想患病，不久疽疮发作而死。因其子奥射设长得又丑又弱，义成公主和众贵族不立他为可汗而立其弟咄苾，号颉利可汗。颉利可汗继位后，依照突厥习俗续娶曾是其后母、嫂子的义成公主为妻。