不断地消灭宋金刚外围的势力，进一步地孤立宋金刚。派左行军总管刘弘基，行军侧总管张论率兵进逼西河，切断宋金刚的粮道。武德三年（六二零年）正月，唐将秦武通进攻蒲坂，守将王行本战败而降。宋金刚失去了一支巨大的呼应力量，从此孤掌难鸣。
为解救宋金刚，刘武周多次派兵攻打潞州、浩州，意图能收到围魏救赵之效，但均以失败告终。对宋金刚而言，更为可怕的是，他的后勤补给线被切断了。其护卫粮道的大将黄子英被唐骠骑大将军张德政袭杀，补给线上的重镇张难堡也被被唐军占领。这样，宋金刚的大军连一粒粮食也得不到了，坚守也就失去了依据。李世民的拖延战术取得了预期的效果，形势变得对唐军十分有利。
四月十四日，吃不上饭的宋金刚被迫率军北撤。李世民见时机已经成熟，于是立即下令全线出击，至吕州全歼寻相所部。然后马不停蹄，乘胜再追。一昼夜跑了二百多里，连续作战数十次。如此高强度的征战，让士卒们饥饿疲劳到了极点。
部队到达高壁岭(今山西灵石西南)，刘弘基实在忍不住了，他拉住李世民的马辔进谏道：“大王打败敌人，追击至此，已经建立赫赫功勋。现在仍然一味攻击，深入腹地，你不爱惜自己吗？况且现在战士们饥饿难耐，疲惫不堪，应该在此休息，等候粮草的到来，然后再继续前进，也未为迟也。”
但李世民认为，现在是歼击敌人的最好时机，机不可失。于是下令继续前进，率领诸军鼓起余勇，星夜兼程，终于在雀鼠谷(今山西介休西南)追上宋军主力。然后立即发起攻击，一天中八战皆捷，俘斩敌数万人。至此，李世民和众将士已经两天没吃饭了，三天没解甲了。宋金刚率余部两万人退守介休，稳住阵脚，出西门，背城列阵。李世民令总管徐世勣、程知节、秦叔宝攻其北端，翟长孙、秦武周攻其南端，形成夹击之势。
战事一开，唐军为迷惑敌人，首先主动后撤，待宋金刚发起正面进攻时，李世民又率精骑出其阵后攻击。宋金刚腹背受敌，顾头不顾尾，一时乱作一团，四散奔逃。其部将尉迟敬德、寻相、张万岁等人收集残兵败将，献介休、永安两城降唐。刘武周见大势已去，遂放弃晋阳，与宋金刚一起逃奔突厥，不久亦为突厥所杀。李世民乘势收复并州。
隋朝末年，天下大乱，群雄竞起。不甘寂寞的刘武周属于较早起兵的一个，也算是一方枭雄。他早期的策略也是没有问题的：依附突厥，图谋帝业，进而“率军南向以争天下”。他占据了有充足食粮和库绢的晋阳，攻陷河东大部地区，威逼关中。虽然声势浩大，但没有取得最后的成功。我们前面分析了，他在政治上并不成熟，缺少战略眼光。军纪混乱，“军无蓄积，以虏掠为资”，严重扰民害民，因而失去了地方豪强和广大民众的支持，没有建立起稳固的后方。还有一个重要的方面，就是他要夺取天下的起步阶段，就受到了来自李唐政权的强有力的挑战，他没有足够的能力，也没有足够多的人才与李渊父子抗衡。所有这一切结合在一起，就决定了他必然败亡的结局。
刘武周没有实现去中原逐鹿的梦想，他死在了出发的路上。
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