屈突通率军数万屯守河东，准备阻止李渊军入关。时李渊军司马刘文静引突厥大将康鞘利率兵匹赶到，使李渊兵力大增。十八日，李渊军到汾阴，招抚关中农民军首领孙华。二十四日，命其先行渡过黄河，并派左、右统军王长谐、刘弘基及左领军长史陈演寿、金紫光禄大夫史大柰率步骑兵六千渡河至梁山扎营，以待大军。
此时屈突通的处境非常艰难，正如李渊所分析的那样：“屈突通精兵不少，与我军相隔仅五十余里，但不敢来战，足以证明他的部下已经不为屈突通效命了。但是屈突通害怕上边怪罪，又不敢不出战。若他亲自率军过河进攻你们，那我就进攻河东，河东肯定守不住。若是屈突通全军守城，那你们就拆毁河上的桥梁。这样前面扼住他的咽喉，后面攻击他的后背，他不逃走必定被我们擒获。”九月，屈突通派虎牙郎将桑显和率数千名士卒乘夜袭击王长谐等军，起初进展顺利。但孙华、史大柰率轻骑从侧后袭击桑显和军，隋军败回河东。初十，李渊率诸军包围河东。但河东城高险峻，加上屈突通又善于守城，使李渊军难以很快攻下。李渊只好留一部兵力继续围城，亲率主力于十二日渡河西进，威逼关郑
屈突通闻知李渊要攻打长安后，留下鹰扬郎将尧君素守河东，自己率部自武关出蓝田回救长安，至潼关附近，被刘文静部阻遏，不得进。时隋将刘纲守卫潼关，屯军都尉南城，屈突通欲与刘纲合兵，李渊军左统军王长谐率部抢先袭占都尉南城，斩杀刘纲，屈突通被迫退守都尉北城。
屈突通在此与唐刘文静相持月余，急于进军，便派桑显和夜袭刘文静军营。桑显和率军攻破二栅，惟刘文静一栅久攻不下。桑显和率军再战，李渊军死数千人，并箭射刘文静，使其士气大减，已露败相。此时桑显和却因军士疲惫，停止进攻，就地开饭。刘文静抓住战机，派兵重起营栅。时有游军数百骑自南山击隋军背，三栅之兵也呐喊而出，前后夹击，桑部全军覆没，桑显和仅以身免。
此战后，屈突通的处境愈加窘迫。有人劝屈突通投降，屈突通哭道：“我蒙受国家厚恩，侍奉二主，陛下对我的恩宠照顾非常优厚，拿着人家的俸禄而在困难时背叛，怎能逃避国难？只能以死报国！”还摸着自己的脖子：“应当为国家挨一刀！”屈突通慰劳勉励将士时，没有不痛哭流涕的，大家对此也很感动。
此时已李渊攻占长安，并派其家僮去招降屈突通，屈突通当即将家僮杀死。屈突通闻长安已失，家属都被李渊所俘，便命桑显和镇守潼关，自率主力东去，准备去洛阳投奔越王杨侗。屈突通刚走，桑显和便献潼关降于刘文静。刘文静派副将窦琮、段志玄等率精骑与桑显和去追击屈突通。屈突通在稠桑为刘文静军追上，遂结阵自守。窦琮派屈突通的儿子屈突寿去劝他，屈突通骂道：“往昔与你是父子，就是仇敌了。”并命令身边的人用弓箭射屈突寿。
此时桑显和对屈突通的部众：“京师陷落，各位都家住关西，为何还要向东去？”众人闻听此言，全都扔掉兵器投降。屈突通见大势已去，下马向东南方向再三跪拜，并号哭道：“臣力尽兵败，没有辜负陛下，地神只，实所鉴察 。”遂被迫归降，擒送长安。与李渊见面后，李渊问道：“为何相见得这么晚呢？”屈突通哭道 ：“我未能尽人臣的忠节，所以到了这个地步，让本朝蒙羞，实在是愧对代王。”李渊对他的行为赞赏不已：“这是隋朝的忠臣啊。”下令将屈突通释放，并授兵部尚书，封蒋国公，为秦王李世民行军元帅长史。
屈突通归降后，即奉命到河东城下招降尧君素归降，尧君素看到屈突通，欷不自胜，屈突通也泪湿衣襟。他对尧君素：“我军已经失败，唐王义旗所指之处，无不响应，事情已到了如簇步，你还是早些归降为好。”但尧君素态度坚决：“您身为国家大臣，主上委任您以防卫关中的重任，代王将社稷都托付给您了，您为什么背弃国家而投降呢？还替人家作客呀！您所乘之马，就是代王赏赐的，您还有什么脸骑着这匹马呢！”屈突通叹息道：“唉！君素，我是力尽图穷才来的！”但尧君素不听，道：“我的力量还未用尽，何必再多！”屈突通无奈，只好退走。
武德元年五月二十日，李渊在长安称帝，建立唐朝，是为唐高祖。唐朝当时势力已超过当时任何一个割据集团，但由于政权初立，其他势力并不听从于唐廷。割据陇西的西秦霸王薛举即于六月攻唐泾州，威胁关郑七月，薛举突然病亡，其子薛仁杲继位。八月，李渊命李世民率军进攻薛仁杲，屈突通作为李世民的行军元帅长史，也随军出战。李世民于十一月在浅水原大败薛仁杲军，斩首数千级，并乘胜追击，包围折摭城，迫降薛仁杲。当时珍宝堆积如山，诸将都争相夺取，而屈突通却秋毫不犯。唐高祖闻知此事后，对屈突通：“你清正奉国，着自终始，名下定不虚啊。”特赐金银六百两、彩物一千段。
正当唐朝谋进兵中原，刘武周在突厥支持下向唐河东发动进攻。武德二年四月至九月，刘武周攻城略地，多次击败唐朝援军，关中震骇。十一月，李世民率兵征讨刘武周，屈突通也随军前往。武德三年四月，刘武周军战败，李世民率军追击，数次大败其军，彻底消灭刘武周割据势力。此时刘武周大将尉迟敬德前来归降，尉迟敬德作战勇猛，多次战败唐军，李世民对尉迟敬德的归降非常高兴。但屈突通怕尉迟敬德会反复，所以出于李世民的安全，多次向李世民提起此事。
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