杀降”、“开仓放粮”、“只诛王世充，馀者不问”等字样的绢帛、木牌，用箭射入城中。被俘的郑军士卒，经过简单教育后，选择部分愿意配合者，释放回城，让他们亲身讲述唐军营地粮草充足、降卒得到医治和食物的情况。更有唐军细作早已潜伏城内，此时四处散布流言，夸大唐军兵力，喧染城外某处郑军已暗中投诚等消息，进一步瓦解守军意志。
王世充试图突围，数次组织精锐，选择唐军包围圈的结合部或夜间进行突袭，但李世民早有防备，各处营寨互为犄角，巡逻严密，突围的郑军往往撞上铜墙铁壁，死伤惨重而归。一次，王世充命其侄儿王琬率敢死队试图打通与城北邙山方向的联系，被唐将丘行恭伏击，王琬被阵斩，所部全军复没。突围的失败，让城内最后一丝希望也渐渐熄灭。
经过月馀的锁城消耗，洛阳守军已极度疲惫，物资濒临枯竭，士气低落至谷底。李世民判断，总攻的时机已到。但他不选择四面开花，而是集中绝对优势兵力与最精良的器械，主攻一点——洛阳西北角的安喜门（唐称安喜门，隋称徽安门）局域。此处城墙相对老旧，且城外地势略高，利于唐军展开和部署重型器械。
总攻前夜，唐军悄悄将数十辆最新打造的“巢车”和“攻城塔”推至前沿。这些庞然大物以巨木为骨，覆以生牛皮，高达数丈，甚至超过洛阳城墙，内置梯道，可容数十名甲士。同时，针对城墙的“地道战”也在隐秘进行，工兵从数个方向挖掘坑道，试图直达城墙地基下，埋设火药（此时火药虽已出现，但威力有限，多用于纵火或制造巨响崩塌士气）或进行爆破。
拂晓，总攻开始。
数百架投石机进行了一轮前所未有的集中齐射，石弹如陨石雨般砸向安喜门及其两侧城墙，烟尘蔽日，地动山摇。紧接着，数以万计的唐军弓弩手在盾牌掩护下前出，向城头倾泻出遮天蔽日的箭雨，压制得守军几乎抬不起头。
“巢车”和“攻城塔”在牛马的牵引和士卒的推动下，如同移动的山丘，缓缓逼近城墙。城头郑军拼命发射火箭、抛掷擂石，试图焚毁这些巨物，但覆湿泥的生牛皮难以点燃，擂石砸在倾斜的顶板上效果有限。与此同时，唐军工兵引爆了数处靠近城墙的地道，“轰隆”几声巨响，虽然未能炸塌主墙，但造成了局部墙体松动和守军的极大恐慌。
关键突破口出现在安喜门东侧一段城墙。此处被投石集中轰击，本就老旧的墙体出现了巨大裂缝。唐军悍将尉迟敬德亲率重甲“跳荡兵”，冒着如雨箭矢，将数架云梯死死架在裂缝处，口衔横刀，一手持盾，悍勇无比地攀缘而上！郑军守将试图组织反击，但被唐军精准的弩箭射杀。尉迟敬德第一个跃上城头，手中钢鞭挥舞，如同煞神，瞬间扫清一片，为后续登城部队打开了缺口！
“城墙破了！唐军上城了！”
恐慌迅速蔓延，王世充得报，惊怒交加，亲自率领最精锐的“左右扬武军”赶往缺口处反击。双方在狭窄的城头、马道、城门楼展开了惨烈至极的肉搏战。刀剑碰撞声、怒吼声、惨叫声响彻云霄，尸体层层堆积，鲜血顺着城墙砖缝汩汩流下。唐军后续部队通过云梯和已被占领的城墙段源源不断涌入，王世充虽然拼命，但士卒饥疲，士气已沮，渐渐不支。
就在城头血战正酣时，唐军预先埋伏在城南、城东的部队也发起了猛烈佯攻，牵制了大量郑军兵力。而李世民则亲率玄甲精骑主力，在城门附近待机。
城头的崩溃，始于王世充麾下一员心腹将领的突然叛变。眼见大势已去，这名将领在混战中突然倒戈，率部反冲王世充本阵，并高喊“降唐免死！”这一下如同压垮骆驼的最后一根稻草，本已摇摇欲坠的郑军防线瞬间土崩瓦解。兵败如山倒，士卒们丢弃兵器，哭喊着四散奔逃，或跪地请降。
王世充在亲卫拼死保护下，杀出重围，退往皇城（紫微城）。然而，皇城也并非乐土。得知外城已破，许多宫内侍卫、宦官也人心浮动。王世充试图集结残部，固守宫城做最后挣扎，但响应者寥寥。
李世民不给其任何喘息之机。唐军迅速清理了街道抵抗，包围了皇城。李世民派人向宫内喊话，给王世充最后一次投降的机会。
宫城宣仁门前，王世充身着早已破损不堪的明光铠，披头散发，状若疯狂。身边只剩下数百名最死忠的亲兵和部分王室子弟。他知道，一切都结束了。突围无望，抵抗只能带来更多杀戮和可能的屠城。
“天亡我也，非战之罪！”
王世充仰天嘶吼，但他终究是一代枭雄，在最后关头，残存的理智告诉他，继续抵抗，除了让王氏一族彻底死绝，让洛阳城陷入最后血火，没有任何意义。
他命人打开宫门，卸去甲胄，身着素服，带领郑国太子王玄应及主要文武官员，手捧传国玉玺（仿制品）及郑国图籍册印，徒步走出宣仁门，向立马于门外的李世民投降。
洛阳，这座被围困近两年、付出了无数生命的天下坚城，终于易主。唐军入城，迅速接管防务，扑灭零星火头，安顿降卒，并依李世民之前承诺，开仓放粮，赈