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随后，经过准备多时的李渊传檄各州、县，宣布正式起兵。李渊管辖内的西河郡隋将得知李渊起兵的消息，依城拒守。李渊只好派儿子李建成、李世民率兵攻打西河，并派太原令温大有参谋军事。西河郡兵微将寡，郡丞高德儒闭门守城。但是李建成仅仅用了9天时间便攻下西河君，杀死了不肯叛乱的高德儒。至此，李渊作为太原留守管辖的五个郡的地盘除了三个郡被刘武周占领外，剩下的太原与西河两军皆归李渊所有。
拿下西河郡后，李渊命令开仓赈饥，招募士兵。并开大将军府，置三军，李渊亲任大将军。以长子李建成为陇西公、左领军大都督，统领左军；次子李世民为炖煌公、右领军大都督，统领右军；小儿子李元吉为姑臧公，统领中军。裴寂为长史，刘文静为司马。
大业十三年(617)七月，李渊率隋军三万在太原誓师，进军关内并正式发布檄文。发布的檄文里，李渊斥责皇帝杨广听信谗言，杀害忠良，穷兵黩武，致使民怨沸腾，“豺狼充于道路”，在檄文里李渊声明自己起兵是要废掉昏君杨广，然后拥立代王杨侑为帝，“尊天子为太上皇，立代王为帝，以安隋室”。而他自己则建大将军府亲任大将军，世子李建成为左领军大都督，李世民为右领军大都督，刘文静任大将军府司马。其实，这仅仅是李渊的一种号召天下的策略而已，因为他清醒地认识到，此时的大隋王朝，是百足之虫、死而不僵。如果自己一开始就打出反对大隋的旗子，那就不明智了。
这时，正在攻打洛阳的李密兵锋正盛，有席卷天下的气势，所以李渊就写信给李密希望结盟共同对付隋军。李密见信后，回复李渊说结盟可以但是要他亲自到河内(今河南沁阳)和他商量结盟的事。李渊见信后说：“密妄自矜大，非折简可致。吾方有事关中，若遽绝之，乃是更生一敌；不如卑辞推奖，以骄其志，使为我塞成皋(虎牢关)之道，缀东都(洛阳)之兵，我得专意西征。俟关中平定，据险养威，徐观鹬蚌之势。以收渔人之功，未为晚也。”于是李渊给李密的信中很卑恭地说：“天生烝民，必有司牧，当今为牧。非子而谁，老夫年逾知命，愿不及此”。李密在接到李渊信后，见李渊如此推崇自己，就放松了对李渊的警惕并和他简单结盟。李渊的大意不仅疏忽了对李渊图天下野心的戒备，而且还实际为李渊造反牵掣了隋军主力。使隋军不能西救关中长安。
七月，誓师过后的李渊命李元吉留守太原，自己亲率3万大军西突厥兵协助下，向关中进发。李渊起兵的消息传到长安后。长安留守的代王杨侑派宋老生率兵三万屯在霍邑(山西霍县)，屈突通率大军扼守河东(山西永济)，以防备其西进。
李渊率大军循汾水进军，到了贾胡堡，距霍邑五十余里。这时，连日阴雨，军队受阻不能前进，而且军队缺粮。特别是有传言说刘武周联合突厥将进犯太原。这时。裴寂等认为：宋老生、屈突通连兵据险，不易解决；李密表面上答应联合了，但靠不住。突厥贪而无信，唯利是图，联合刘武周进犯是可能的，将士家属都在太原，太原地位很重要，“不如还救根本，更图后举”。李渊同意后下令退兵回太原。
李世民不同意退兵的策略，便苦谏父亲李渊说：“现在正是收获季节，田野到处都是菽谷，何必担心粮食不够？”同时他认为刘武周与突厥“外虽相附，、内实相猜”，刘武周不会舍掉马邑去袭太原。还有李世民认为对面的“宋老生轻躁，一战可擒”。最后他建议父亲只有抓紧时机；照原来方针“先入咸阳，号令天下”，才是正确的决策，并且说如果一点小的挫折便行退兵，必然会造成“众散于前，敌乘于后”的局面，使自己陷于复灭的命运。
李建成也支持李世民的主张，也反对退回太原。考虑再三的李渊随后改变退军决心，追回部队重新围攻霍邑。
李渊的这个重要战略决策，对李渊的发展，有着决定性的影响，首先李渊刚刚起兵，军心士气还不巩固，如果遇挫折而退兵，必然会陷于瓦解不可复振。再者关中战略地位重要，而且当时空虚，图之者还大有人在，关西的薛举也意图关中长安，还有差不多就在李渊起兵同时，柴孝和就曾劝李密舍掉洛阳入关中，以图天下，李密没有采纳，但时间一久，变化就不可知了，所以必须趁机，捷足先登。如果李渊没有改变他自己退兵的决定，李洲可能会像李密一样最后对关中无能无力，从而丢失争霸天下的根本。
八月，大雨停止了，回军的李渊率骑兵沿小路奔霍邑，宋老生守城不出。李渊无奈就派李建成、李世民率领几十骑到城下辱骂宋老生，同时自己率领骑兵在城东埋伏。宋老生乃率众三万自东门、南门分道而出。李渊这时即同李建成左军结阵于东门，令李世民右军结阵于南门，以断宋老生的逃路。成阵之后，又怕宋军背城不肯远战，乃命令军队向后收缩，伪作退避宋军模样。宋老生果然认为李渊畏缩，在距离城一里余地方布阵。不久李渊的后续部队来到，李渊想命部队就食后再战，李世民认为，“时不可失”，遂发动了的进攻。一交锋，李渊、李建成在城东的阵势不利，便向后引退，李世民发现宋老生大军侧背暴露，即引兵自城南直冲宋老生军阵后，并扬言已俘虏宋老生，隋军大溃败，李渊得以迅速占领了霍邑。
李渊在攻占霍邑之后，乘胜连下临汾、绛郡(山西新绛)，进逼龙门。关中势力最大的一支农民义军孙华和冯翊（陕西大荔）太守萧造投降李渊。李渊于是一方面率主力围攻河东，另一方面派王长谐等率一部分兵力在孙华的协助下渡过黄河，在河西设营，造成了对河东围攻的有利形势。
由于屈突通在河东凭坚城固守，李渊大军主力没有进展，李渊便想绕过河东直趋长安。这时，裴寂认为：屈突通兵力不小，凭坚以守，若舍之而去，如果攻长安不下，退为河东所乘，“腹背受敌”很危险，应该先打下河东再前进。而次子李世民和裴寂的意见再次不同，他认为：“兵贵神速”，应该乘势迅速入关，则长安震惊。“智不及谋，勇不及断”，攻取很容易。否则，顿兵坚城，空耗日月，长安就能从容以备我，成功就难了。于是李渊就以一部兵力继续围攻河东，自己率主力渡河入关。
过河后，李渊命李建成、刘文静等率军数万人向南迂回，占领永丰，扼守潼关，以戒备东方；命李世民、刘弘基等率军数万人，向渭水北岸进军，控制长安外围各要点，然后攻占长安。而李渊自己则控制一部兵力在朝邑，指挥各方向作战。
李渊大军渡过黄河后，声威所至，隋朝官吏纷纷投降。华阴令李孝常献永丰仓投降，使李建成等得以顺利地占领永丰仓。李世民所到之处，收编隋军和各小部分起义军，短期内“胜兵九万”设营在泾阳，并派刘弘基攻取了扶风，渡过渭水，屯军在长安故城。原在关中地区的李渊亲族，如其女李氏，婿段纶，族弟李神通等，也响应李渊起兵，并与长安附近各小部分起义军会合，占领了兰田、盏屋、武功、始平等地，人数到了十余万人，皆统一归李世民指挥。
李渊渡河以后，先在朝邑，以后进到冯翊。见攻取长安的时机已经成熟，乃命李建成率精兵自永丰仓经新丰(陕西临潼)到长乐宫(长安东北)与李世民所部完成了对长安的包围。此时，陕北各郡县也纷纷请降。
十月，李渊率军自冯翊到长安东北，各军会合，实力发展到几十万人。十一月，李渊汇合李建成、李世民、刘弘基之兵20余万攻打长安。进攻长安前，李渊下令不许侵犯隋朝七庙和代王宗室，违令者夷其三族，遂命诸军攻城，军头雷永吉率先登上城头，京城长安很快被李渊攻克。