杀掉王威和高君雅消除了内患之后，李渊便和将士严密防守，对付突厥。他命裴寂和刘文静坚守城防，同时又让大门洞开。城墙上也不树旗帜。守城士兵不许张望、喧哗。这使突厥军队不明底细，不敢入城。李渊又在夜里派兵出城，早晨改道进城，使突厥误以为是援兵到达。突厥军队不敢恋战，只好退兵。突厥兵虽然退去了，但难保不再来，为了从根本上解决问题，李渊给突厥送去书信：“若能从我，不侵百姓，征伐所得，子女玉帛，皆可汗有之。”为了稳住突厥，李渊委曲求全地用了臣子的语气。
公元617年7月，李渊率军3万，正式起兵。李渊传檄诸郡称“义兵”，以维护隋朝社会安定。
李渊在太原起兵之后，便以进军关中拿下长安为最终目标。西进的第一个障碍便是西河郡。李建成和李世民兄弟仅用了9天便得胜而归，使得李渊喜出望外。
然后，李渊建立了自己的军事机构：设置大将军府，自称大将军。长子李建成为陇西公、左领军大都督，统领左三军。李世民为敦煌公、右领军大都督，统领右三军。裴寂和刘文静为长史司马。
李渊第二战是决战霍邑。霍邑的西北有个贾胡堡，是霍邑的门户，但守卫霍邑的宋老生却没有派兵把守，李渊由此断定宋老生是个无能之辈。
李渊害怕宋老生守城不出，打持久战对自己不利。于是李渊让两个儿子领几十名骑兵近城观察，自己将部队分成十几队，从城东南到西南，摆出一副攻城的架势。宋老生果然中计，以为李渊要攻城，便领兵3万出战。李渊领兵假装后退，让李建成和李世民领兵抢占了东门和南门，切断了宋老生的退路。在交战中李渊又散布宋老生已经战死的谣言，动摇了军心。隋军大败，全军覆没。李渊顺利占领了霍邑。
此后，李渊又攻打河东，没有攻下。李渊便听从了李世民直接入关中的建议，分兵攻打长安。在招降长安失败后，李渊下令攻城，占领之后又下令禁止掳掠百姓，受到百姓们夹道欢迎。公元617年11月，李渊拥立隋代王杨侑为帝，即隋恭帝，改元义宁，尊在江都的隋炀帝为太上皇，李渊为大丞相，封唐王，以武德殿为丞相府，李世民为秦王。这实际上是李渊日后称帝的一个过渡。
到公元618年5月，隋炀帝杨广的右屯卫将军宇文化及在江都兵变，勒死了隋炀帝杨广。然后立秦王杨浩为帝，自己做大丞相。随后宇文化及领兵10万北上，但被李密打败，宇文化及败走魏县，毒死杨浩，自己称帝，建立郑国。第二年，过了皇帝瘾的宇文化及在聊城被窦建德杀死。隋炀帝杨广一死，李渊便不再需要隋恭帝这个傀儡了。公元618年，李渊逼杨侑禅位，称帝建立唐朝，改年号为武德，定都长安。
李渊称帝长安时，许多隋将割据称雄，农民起义军亦称霸一方，全国处于四分五裂的状态。
李渊称帝后，重用佞臣、猜忌功臣、爱好酒色，这些都使得他当皇帝后无法有更大的作为。原隋朝晋阳宫副监裴寂，在晋阳时就与李渊是酒肉朋友。他私送宫女给李渊，又常与李渊昼夜赌博饮酒，荒淫无度。晋阳起兵时，裴寂又送五百宫女给李渊，让他带着行军。李渊称帝后，认为裴寂功劳最大，授其高官厚禄，引为亲信。
原晋阳令刘文静，和李世民一起策动起兵，南征北战，是唐朝的开国功臣。刘文静对自己位在裴寂之下，甚感不平，遂与裴寂发生矛盾。公元619年的一天，刘文静酒后口出怨言，裴寂等乘机陷害，说刘文静欲反朝廷，李渊竟听信其言，杀死刘文静。李渊赏罚不明，加深了臣子内部的矛盾和斗争。
李渊统治后期，广纳妃嫔，安于后宫享乐。在有的妃子挑拨李建成和李世民之间的关系时，李渊没能及早制止，反而听信谗言，致使兄弟之间兵戎相见，发生流血事件。随着统一战争的顺利进行，李渊的思想开始松懈下来，安于享乐，对政治事务不再关心，这直接导致了皇储问题的产生。
李渊想让几个儿子和睦相处，但又在立皇太子的问题上，没有明确的主意，使得兄弟相争不已。在刘武周大举南下，攻陷太原威胁长安的时候，李渊亲自为儿子李世民送行，还许诺得胜回来后立他为太子。但李世民回来之后，李渊又反悔，听信后妃们的求情，保留了李建成的太子之位。这直接导致了兄弟之间的不和，成了激烈的太子之争的导火线。
太子李建成和秦王李世民为了争夺皇位明争暗斗，展开了你死我活的斗争。公元626年夏，突厥犯境，李建成向李渊推荐齐王李元吉为出征元帅，想借此把秦王府的精兵和骁将掌握在自己手中，然后除掉秦王。不料这一密谋被李世民得知。在这紧急关头，李世民先发制人，密告太子、齐王淫乱后宫，李渊决定次日诘问。次日，李世民在玄武门设下伏兵。当太子、齐王途经玄武门时，李世民及部下将其杀死，并让心腹尉迟敬德带甲入宫报告李渊。此时李渊正和大臣萧禹、裴寂坐在一只小龙船上，荡漾在南海池中，他见尉迟敬德全副武装立在岸边，十分惊骇。尉迟敬德说，太子和齐王造反，秦王已把他们处死，特派我前来保驾，李渊听后惊得目瞪口呆。旁边的萧禹等赶忙劝李渊把国事都托付给秦王，尉迟敬德也敦促李渊下诏，令诸军悉受秦王节制，以便制止东宫和齐王府军队的骚乱。李渊无奈，被迫写下诏书，命令所有军队悉听秦王处置，并诏立世民为太子。此时，全国局势基本上被李世民控制，李渊无奈，表示愿早些退位。
李渊是唐朝开国创业的军事统帅，沉谋多算、善于决断、既富远见、又善施行的政治家和军事家。旧史书把大唐创业之功多归于李世民，将李渊描写成一位庸庸碌碌、无所作为的人，是不符合历史事实的。
唐朝开国后，许多地方还在分裂之中，农民起义军和隋朝残余将领割据各地。李渊在长安安定之后便开始了长达10年的统一战争。
薛举曾是隋朝金城郡的豪绅，公元617年，先称西秦霸王，后又称皇帝，占据了全部陇西，兵力有十多万人。薛举起兵也想取代隋朝，自己做皇帝。公元617年12月，李世民率兵在扶风将薛举打败，将唐的势力扩充到陇右一带，进一步稳定关中局势。公元618年8月薛举病死，他的儿子薛仁杲继续威胁长安。李渊命李世民为元帅第三次出征，这次在浅水原将薛仁杲彻底击溃，薛仁杲也投降了唐朝，陇西收归唐朝。
平了薛举父子之后，李渊又开始对付割据河西的李轨。在李渊建立唐朝之际，李轨称帝。
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