处理完降卒后，李世民立即押着窦建德，回抵洛阳城下，他用鞭指着囚车，仰呼城上道：“王世充！你看囚车里面，是什么人？便是来救你的窦建德。”王世充正在城楼上，向下一瞧，果见囚车里闷坐一人，心里顿时凉了半截，只得壮着胆子问道：“囚车内是否夏王？”窦建德道：“不必说了，我来救你，先做囚徒，你真害得我好苦呢。”说完竟然咬咽（ye）起来。王世充也不禁垂泪，还要想说点道歉的话，唐军又牵出三辆囚车。一看，竟是与窦建德合兵一处来救自己的哥哥王子琬，还有自己派去夏营的说客长孙安世、郭士衡二人，一时愁上加愁，痛上加痛，差点立脚不住，从城墙上掉下来。这一下再无怀疑，万念俱灰，突然觉得功名霸血，都是虚幻，只求保住兄长、家人性命，再无他求。李世民见他不吱声，高声喊道：“如若不降，我便将他们一一处斩！”王世充止住眼泪，慌忙说道：“且慢！我当出降，大王肯许我免死么？”李世民道：“准你免死！”
万般无奈之下，王世充下了投降的决心。第二天，他穿了一袭白衣，带领着他的儿子、群臣、大将等两千余人，跪着行走到唐军大营的门前，向李世民投降。李世民对他以礼相待。一般人对敌人总是充满仇恨，俘获了就任意折辱。但李世民对王世充丝毫没有侮慢的意思，由此可见他的气量之大。
王世充投降后，李世民命令部队进驻洛阳。他让军队把守商店、街道和军事要点，以防洛阳城内发生骚乱，对这些地方进行抢劫。唐军纪律严明、秋毫无犯，令洛阳城内的老百姓自此安心下来，不再担心遭受劫掠。李世民又下令从关中往洛阳城运入大量粮食，救济洛阳百姓，百姓十分欢欣，夹道欢迎。他又把王世充原来的队伍进行了改编，除了单雄信等十几个罪行较重的人被斩首外，其余都既往不咎。
自此，洛阳秩序井然，社会安定，老百姓又开始恢复生产，王世充所辖之地全部归于唐朝。李世民进入洛阳城后，从王世充的仓库中取出大量金银财宝，赏赐将士，以奖赏他们的功绩。又下令拆除了隋炀帝在洛阳修建的各处宫殿，这些宫殿富丽堂皇，极尽奢华之能事，耗费了大量的人力、物力、财力。李世民暗下决心，决定以后要引以为戒，勤俭务实治国，善待百姓。洛阳城中还有许多寺庙，里面有许多尼姑和尚，李世民下令留少数几个德高望重者外，其余全部还俗。
公元621年7月，李世民班师凯旋，回到长安。
这一次战役，从公元620年7月开始，一直持续到621年5月结束，是唐朝统一战争中规模最大的一次战役。唐军镇压窦建德、迫降王世充，为统一全国奠定了基础。