纷附和，愿意出战的占了十分之七八，李密被众人的议论迷惑，最终采纳了出战的意见。裴仁基苦苦争辩却没有效果，捶地叹息道：“您以后一定会后悔的！”魏征对长史郑颋说：“魏公虽然屡次获胜，但猛将精锐大多战死，士兵士气低落，这两点很难对抗敌人。而且王世充缺乏粮食，一心想要死战，难以和他争夺胜负，不如深挖壕沟、高筑营垒来抵御他，不出一个月，王世充粮食耗尽，必然会自行撤退，到时候再追击他，没有不胜的道理。”郑颋说：“这不过是老生常谈罢了。”魏征说：“这是奇策，怎么能说是老生常谈！”说完拂袖而去。
程知节率领内马军与李密一同在北邙山上扎营，单雄信率领外马军在偃师城北扎营。王世充派遣数百名骑兵渡过通济渠攻打单雄信的营地，李密派裴行俨和程知节前去救援。裴行俨率先冲向敌人，中了流箭，摔倒在地；程知节上前营救，杀死数人，王世充的军队溃散，程知节抱起裴行俨，两人同骑一匹马返回；途中被王世充的骑兵追赶，长矛刺穿了程知节的身体，程知节回身折断长矛，还斩杀了追兵，与裴行俨一同脱险。恰逢天色已晚，双方各自收兵回营。李密的猛将孙长乐等十余人都受了重伤。
李密刚刚打败宇文化及，轻视王世充，没有修筑营垒。王世充连夜派遣两百多名骑兵潜入北山，埋伏在溪谷中，命令士兵们喂饱战马、吃饱饭。甲寅日清晨，即将开战，王世充向士兵们宣誓：“今天的战斗，不只是争夺胜负；生死之分，就在这一战。如果获胜，富贵自然不在话下；如果失败，必定没有一人能幸免。我们争夺的是生死，不只是为了国家，大家都要努力！”黎明时分，王世充率领军队逼近李密。李密出兵迎战，还没来得及摆好阵势，王世充就下令全军发起进攻。王世充的士兵都是江淮地区的剽悍勇士，进退如飞。王世充事先找到一个相貌酷似李密的人，将他捆绑起来藏好。战斗正激烈时，派人把他押到阵前，大喊道：“已经活捉李密了！”士兵们都欢呼万岁。埋伏的军队趁机发动进攻，从高处冲下，直奔李密的营地，放火焚烧营帐。李密的军队大败溃散，将领张童仁、陈智略都投降了王世充，李密率领一万余人逃往洛口。
王世充连夜围攻偃师；郑颋守卫偃师，他的部下打开城门迎接王世充。起初，王世充的家属在江都，跟随宇文化及到了滑台，又跟随王轨归附李密，李密将他们留在偃师，想用来招降王世充。偃师被攻破后，王世充找回了兄长王世伟、儿子王玄应、王虔恕、王琼等人，还抓获了李密的将领裴仁基、郑颋、祖君彦等数十人。王世充于是整顿军队前往洛口，抓获了邴元真的妻子儿女、郑虔象的母亲以及李密众将的子弟，都加以安抚，让他们暗中召唤自己的父兄。
起初，邴元真担任县吏时，因贪污受贿逃亡，投奔瓦冈的翟让；翟让因为他曾经做过官吏，便让他掌管文书。李密开设幕府后，精心挑选当时的贤才，翟让推荐邴元真担任长史；李密迫不得已任用了他，但行军谋划之事，却是从未让他参与。李密向西抵御王世充时，留下邴元真守卫洛口仓。邴元真生性贪婪卑鄙，宇文温对李密说：“不杀邴元真，他一定会成为您的祸患。”李密没有回应。邴元真得知后，暗中谋划背叛李密；杨庆听说了这件事，向李密告密，李密本来就怀疑邴元真。到这时，李密即将进入洛口城，邴元真已经派人暗中引来王世充的军队。李密知道后没有声张，反而与众人商议，等王世充的军队一半渡过洛水后，再发起进攻。王世充的军队抵达后，李密的侦察骑兵没有及时发现，等到准备出战时，王世充的军队已经全部渡过洛水。单雄信等人又率领军队自保；李密估计无法支撑，率领麾下轻骑兵逃往虎牢，邴元真于是献城投降。
起初，单雄信勇猛敏捷，擅长使用马槊，在各军中名声最盛，军中号称“飞将”。房彦藻认为单雄信轻易改换门庭，就劝说李密除掉他；李密爱惜他的才能，不忍心下手。李密失利后，单雄信率领部下投降了王世充。
李密想去黎阳投奔徐世积，有人说：“当初杀死翟让时，徐世积差点丧命，如今您失利后去投奔他，怎么能保证安全呢！”当时王伯当放弃金墉城退守河阳，李密从虎牢前往河阳投奔他，召集众将共同商议。李密想向南凭借黄河天险，向北坚守太行山，向东联合黎阳，以谋求进一步发展。众将都说：“如今军队刚遭失利，大家心怀恐惧，如果再停留下去，恐怕用不了多久就会全部叛逃。而且人心不愿，很难成功。”李密说：“我所依靠的就是众人，众人既然不愿意，我也就走投无路了。”想要自刎来向众人谢罪。王伯当抱住李密痛哭失声，众人也都悲伤哭泣，李密又说：“有幸各位不抛弃我，我们应当一同前往关中归附唐朝；我虽然没有功劳，但各位一定能保住富贵。”府掾柳燮说：“明公与唐公是同族，又有过去的交情；虽然没有参与起兵，但您牵制了东都的隋军，截断了隋朝的退路，让唐公不战而占据长安，这也是您的功劳。”众人都表示赞同。李密又对王伯当说：“将军的家属人口众多，怎么能再和我一起前行呢！”王伯当说：“当初萧何率领全部子弟跟随汉王，我遗憾不能让兄弟都来跟随您，怎么会因为您