过程
武德四年十二月三十日，双方在徐河(今河北保定东北)交战，刘十善、张君立大败，损兵8000。洺水县人李去惑占据城池降唐。李世民派彭公王君廓率1500名骑兵，与其共同守城。二月，刘黑闼还攻洺水城，十一日，至列人(今河北肥乡东北)时，被唐将秦叔宝击退。十七日，李世民收复邢州(治龙冈，今河北邢台市)。二十四日，李艺率军夺回定(治安喜，今河北定县)、栾(治今河北省邢台市隆尧东)、廉(治今河北藁城)、赵(治平棘，今河北赵县)四州，抓获刘黑闼尚书刘希道，与李世民军会合于洺州。
当时刘黑闼急攻洺水城，该城四面环水，水宽50余步，深三、四丈，刘黑闼在城东北修建两甬道准备攻城。李世民三次引兵增援，都因刘黑闼军顽强阻击不能进。眼看甬道即将修成，洺水城危在旦夕，李世民遂登上城南高坟，用旗语令王君廓突围，同时命勇将行军总管罗士信率200士卒进城，代其坚守城池。刘黑闼军在甬道修成后，连续8昼夜，猛攻洺水城，恰逢大雪，唐军无法增援，洺水城于二十五日陷落，罗士信被杀。二十九日，李世民率军夺回洺水城。
武德五年三月，李世民和李艺在洺水以南扎营，并分兵驻洺水以北。刘黑闼多次挑战，李世民均坚壁不战，以挫其锋，同时另遣奇兵断其粮道，冀(治信都，今河北冀县)、贝(治清河，今河北省邢台市清河西北)、沧(治清池，今河北沧州东南)、瀛(治河间，今属河北)等州的水陆运粮舟、车，皆被唐军沉焚。双方相持60余日，李世民料刘黑闼粮草已尽，必来决战，于是命人在洺水上游(今邢台市沙河市秦王湖一带)筑堰截断河水。三月二十六日，刘黑闼果然率2万步骑兵南渡洺水，逼近唐营列阵。李世民先遣轻骑出战，继而亲率精骑击破刘黑闼马军，乘胜以马践踏其步兵。刘黑闼率军拚死抵抗，战斗从中午持续到黄昏。这时，守吏决堰，河水疾速冲下，水深丈余，刘黑闼军大溃，万余人被杀，数千人淹死，刘黑闼和范愿率200(一说200余人，一说千余人)骑逃入突厥。
点评
此役，是中国战争史上后发制人、疲敌制胜的典型战例。李世民以闭垒不战，用奇兵断敌粮道，待其粮尽气衰，精骑出击，并决洺水助战，大败刘黑闼军，尽复沦陷州县。此战与《三国演义》所载关云长水淹七军之战颇相类似。
史料
三月，太宗阻洺水列营以逼之，分遣奇兵，断其粮道。黑闼又数挑战，太宗坚壁不应，以挫其锋。黑闼城中粮尽，太宗度其必来决战，预拥洺水上流，谓守堤吏曰：“我击贼之日，候贼半度而决堰。”黑闼果率步骑二万渡洺水而阵，与官军大战，贼众大溃，水又大至，黑闼众不得渡，斩首万余级，溺死者数千人。黑闼与范愿等以千余人奔于突厥，山东悉定。太宗遂引军于河南以讨徐圆朗。——《旧唐书》
二月，秦王破之于列人，取洺水，使总管罗士信守之。黑闼攻陷洺水，士信死。王阻水为连营，分奇兵绝其馈路。黑闼数挑战，坚壁不为动。三月，贼粮尽，王度必决战，豫壅洺水上流，敕吏曰：“须贼度，亟决之。”黑闼果率骑二万绝水阵，与王师大战，众溃，水暴至，贼众不得还，斩首万余级，溺死数千，黑闼与范愿等以残骑奔突厥。山东平，秦王还。——《新唐书》
世民度黑闼粮尽，必来决。乃使人堰洺水上流，谓守吏曰：“待我与贼敌，乃决之。”丁未，黑闼帅(率)步骑二万南渡洺水，压唐营而陈(阵)，世民自将精骑击其骑兵，破之，乘胜蹂其步兵。黑闼率众殊死战。自午至昏，战数合，黑闼势不能支。王小胡谓黑闼曰，“智力尽矣，宜早亡去。”遂与黑闼先遁，余众不知，尤格战。守吏决堰，洺水大至，深丈余。黑闼众大溃，斩首万余级，溺死数千人，黑闼与范原等二百骑奔突厥，山东悉平。——《资治通鉴》
【洺水之战对唐史的后继影响与骨牌效应】：
山东洺水之战以罗士信之死为分界线，前期李世民趋向于积极防守，而后期趋向于积极进攻。
罗士信在瓦岗寨时，曾受裴仁基厚待。李密战败后，裴仁基跟随王世充。罗士信投唐，效力于镇守长春宫的李世民麾下。裴仁基曾密谋拥立越王杨侗，杀王世充，事不机密，被王世充所杀，全家就戮。洛阳城破后，罗士信找到裴仁基的遗骨，葬之于北邙山，并说，我死后也要葬在这里。罗士信守洺水，洺水城破为刘黑闼所杀，李世民重金赎回其尸，就将他葬在了裴仁基的墓旁。(事见《旧唐书》与《新唐书》的忠义传-罗士信)
裴仁基有一个儿子，却在这场变故中幸免，他正好是出生在裴仁基全家被杀的那一年。贞观年间，这个孩子以功臣之后入仕学，高宗时为李唐王朝平定西亚立下了赫赫之功。裴仁基于李唐何功之有，若无熟悉的亲友，在裴仁基死后他又如何证明自己是裴仁基的遗腹子?几乎可以确定，此子是裴仁基死后罗士信收养，罗士信死后，李世民纪念其功而加以照顾。这个孩子叫裴行俭。
刘黑闼有一个得力部将高雅贤，高雅贤有一个义子，是个勇武有力的青年。李世民洺水之战，刘黑闼北投，高雅贤战死，之后李世民在山东地区肃清的力度是很大的，但是这个青年却没有任何事情，回家种地去了。贞观元年，据说他被人说动，又投入了地方府兵。贞观三年，以匡道府折冲随李靖北伐，当先攻入了突厥王庭，李世民授以左武卫中郎将。此后灭百济，踏平西突厥，成为唐初一代名将。这个青年叫苏定方。
苏定方是高宗朝的名将，而裴行俭又师承于苏定方，再加后来李世民在辽东战场万人之间一眼看中的薛仁贵，从地方县令提拔起来的刘仁轨，构成了高宗朝的将星云集，都出自李世民的洺水之战，历史的因果有时千回百转。
遗迹
李世民与刘黑闼的洺水之战，不仅载之于《旧唐书》、《新唐书》、《资治通鉴》等历史典籍，而且在永年县、沙河县等地留下了许多历史遗迹。如《新唐书》记载：“(永年县)狗山有太宗故垒，讨刘黑闼于此”。清《嘉庆重修一统志》和《畿辅通志》关于永年县狗山也都有“武德五年，太宗亲讨刘黑闼，于此立营”的记载。清《畿辅通志》关于顺德府沙河县大仓门山也有记载：“大仓门山，在县西一百二十里，亦名仓口，唐时尝置仓于此，以通馈饷，故名”。《畿辅通志》在关于大仓门山的记载中甚至还引用《大清一统志》进一步明确：“唐太宗为秦王时，击刘黑闼于河北，置仓于此，以通馈饷，故有仓门之名”。另外，史书曾载：秦王世民与刘黑闼相持六十馀日。黑闼潜师袭李世勣营，世民引兵掩其后以救之，为黑闼所围。尉迟敬德帅壮士犯围而入，世民与略阳公道宗乘之得出。这段记载说明李世民在洺水之战中曾经被刘黑闼包围过，是尉迟敬德帅壮士犯围而入解救了李世民，但却没有明确李世民被围及尉迟敬德救驾的具体地点。而根据邢台市沙河县民间传说，当年李世民被围及尉迟敬德救驾的事就发生在今天邢台市沙河县的九家村，九家村原来就叫作救驾村。对此，清乾隆《顺德府志》沙河县部分也有记载：救驾，即今九家村，相传尉迟敬德救秦王于此。狗山太宗故垒、仓门唐仓遗址、敬德救驾之村，这些都是洺水之战留下来的历史遗迹。