标志着旷日持久的洛阳围城战正式拉开帷幕。
为彻底孤立洛阳，断绝守军一切生机与援兵可能，李世民命令大军环绕洛阳城挖掘了内外两道深广的壕沟。内层壕沟紧逼城墙，用以封锁守军出城袭扰的通道；外层壕沟则构筑在更远距离，规模更大，旨在阻隔任何外部援军的接近。在两道壕沟之间及后方，唐军日夜不停地修筑起连绵不断的土垒、栅栏和坚固营垒，并设置大量鹿角、拒马等障碍物。这些精心构建的防御工事体系，不仅使洛阳变成一座孤岛，更成为唐军自身进可攻、退可守的可靠屏障，将“围困”二字落到了实处。
围困之余，李世民并未消极等待，而是采取了积极主动的“围城打援”战术。一方面，他分遣骁将如史万宝、刘德威、王君廓等，率精锐机动部队活跃于洛阳外围广阔区域，严密监控并伺机打击试图向洛阳靠拢或运送物资的王世充军队。另一方面，对于洛阳城内守军任何试图突围或反击的行动，唐军依托坚固工事予以迎头痛击。李世民本人更是时常亲临前线指挥，唐军士气高昂，不断挫败守军的反扑。同时，唐军持续使用抛石机（炮车）等攻城器械对洛阳城墙和城内重要目标进行轰击，施加军事压力，消耗郑守军力量与意志。
正当洛阳陷入苦战之际，王世充的求援引来了更强大的敌人，夏王窦建德。武德四年（621年）初，窦建德亲率十余万大军西进援郑，对围城的唐军构成巨大威胁。面对腹背受敌的险境，李世民展现了非凡的战略魄力。他审时度势，留下大将如屈突通、李元吉等率领主力继续严密围困洛阳，自己则亲率最精锐的骑兵和步兵东进，抢占虎牢关（今河南荥阳汜水镇）这一咽喉要地，准备迎击窦建德。这一分兵之举，既保证了洛阳围困不松懈，又将决战战场转移至外围。
在李世民亲赴虎牢关与窦建德对峙周旋的同时，唐军在洛阳外围的军事行动和王世充政权的瓦解速度显着加快。至武德四年（621年）三月，在唐军强大的军事压力和政治招抚下，王世充控制的河南、山东广大地区出现了雪崩式的归降潮。
重要的州郡如：管州（郑州管城，今郑州）、汴州（今开封）、豫州（今汝南）、亳州（今安徽亳州）、随州（今湖北随州）、许州（今许昌）、颍州（今安徽阜阳）、邓州（今邓州）、宋州（今商丘睢阳）、潞州（今山西长治）、荥州（今荥阳）、汴州（今开封）、洧州（今尉氏）、杞州（今杞县）、夏州（疑为误，或指附近某州）、陈州（今淮阳）等相继归附唐朝。
关键城池如：显州（州治今河南泌阳）总管田瓒举所部二十五州降唐；尉氏（今尉氏）守将时德叡举所部杞、夏、陈、随、许、颍、尉七州降唐；王世充的徐州行台（辖区长官）杞王王世辩也遣使归降。重要的关隘和军事据点如：虎牢关（此时在唐军手中）、轘辕（今偃师东南、登封西北的重要关隘，由王君廓攻克）等亦落入唐军控制。这些州县的丢失，意味着洛阳彻底失去了外围的所有屏障和物资补给来源，陷入了绝对的、绝望的孤立。
因此，至武德四年（621年）三月，秦王李世民自武德三年七月开始的对洛阳包围，已持续了八个月之久。通过深挖壕堑、广筑营垒构建的严密包围圈，结合“围城打援”的灵活战术，辅以外围州县的纷纷归降，唐军已将王世充牢牢困死在洛阳孤城之中