镇都被刘武周所得，李元吉害怕，以率强兵出战为由骗司马刘德威率老弱守城，趁夜率妻妾弃军奔回京城，并州失陷。刘德威也弃太原，转移到马邑。李渊因李元吉年少没有苛责，不久加授侍中、襄州道行台尚书令、稷州刺史。武德三年，李世民收复并州。武德四年，李世民征郑国王世充，夏王窦建德来救王世充，李世民进军虎牢关迎战之，留李元吉和屈突通围王世充于洛阳。王世充出兵，李元吉设伏击破之，斩首八百级，生擒其大将乐仁昉及甲士千余人。李世民败俘窦建德，王世充害怕而投降，李世民和李元吉都因功受赏，李元吉加司空，加赐衮冕之服、前后部鼓吹乐