与此同时，李密率领的五百精锐骑兵亦从外围疾驰而至，马蹄声如雷鸣，铁甲映火光，如同天兵下凡。两下里应外合，两面强势出击，杀入敌营。

    宇文化及的部队本就军心不稳，连日攻城不下，早已疲惫不堪，此刻看到敌军内外夹击、攻势迅猛，又误以为李密的主力大军已然赶到，顿时军心大乱，士兵纷纷丢盔弃甲，四散奔逃。宇文化及在亲兵护卫下，拼死杀出重围，收拢残部，退至十里外扎营，检点人马，伤亡逃亡者竟逾两万之众，攻城器具损失殆尽，大败而逃。

    经此一役，宇文化及的粮草已然濒临耗尽，军中存粮不足十日，士气低落至冰点。徐茂公洞察战机，立刻向李密献上妙计：建议假意宣称要与宇文化及联手共谋天下，划分疆界，各称帝号，以此麻痹敌军，松懈其士气；同时让其放松戒备，坐吃山空，耗尽仅剩的粮草；而瓦岗军则可借此争取时间，集结主力、完善战备，待敌军粮尽，一举击之。

    李密闻计，抚掌大笑，称"此计大妙，化及匹夫，必入吾彀中"，当即采纳，派出能言善辩的使者，携带书信厚礼，前往宇文化及军营。

    宇文化及此时已是走投无路，军中粮草断绝，士卒怨声载道，多有逃亡者。他虽知李密狡诈，但绝境之中，忽闻李密要与自己强强联手，共分天下，顿时大喜过望，犹如溺水之人抓住稻草，丝毫不疑有诈。他天真地认为，自己与李密皆拥众数十万，若联手东向，平定山东、河北，再西取长安，天下可定；至于日后权势之争，待天下大定再论不迟。

    于是他当即听信了李密的谎言，下令全军放松戒备，撤销夜巡，任凭士兵肆意吃喝，将最后存粮尽数散出，坐等着李密送来粮草接济，甚至开始做起了"化及公"、"魏公"并列为王的美梦。

    然而，李密的承诺不过是空头支票。没过多久，宇文化及军中粮草彻底耗尽，锅釜皆空，士卒以树皮草根为食，饿殍日增。他派人前往李密军营讨要粮食，却被直接拒绝，使者甚至被李密当众羞辱，逐出营门。

    直到此时，宇文化及才恍然大悟，自己彻底落入了李密的圈套之中，那"联手共谋"不过是缓兵之计，目的就是要让自己坐吃山空，不战自溃。得知真相的宇文化及又气又怒，羞愤交加，在营中暴跳如雷，拔剑乱砍案几，却又无可奈何。

    走投无路之下，他只能孤注一掷，率领仅剩的六七万饥疲之卒，向李密下战书，约期决战，企图拼死一搏，或可侥幸得胜。

    李密见敌军已至绝境，士气萎靡，正是歼灭之时，遂欣然应允。

    大业十四年七月末，两军在卫州童山（今河南滑县境内）下展开生死决战。是日，天色阴沉，乌云低垂，仿佛上天亦不忍目睹这场同室操戈的惨剧。宇文化及驱饥疲之卒列阵于北，欲以死求生；李密率养精蓄锐之众陈兵于南，志在必得。

    清晨，战鼓擂动，号角齐鸣，双方前锋相接，刀光剑影，血肉横飞。宇文化及的禁军虽饥饿疲惫，然皆关中之锐士，知退则无活路，故人人死战，其勇悍竟不亚于全胜之时。

    瓦岗军以逸待劳，装备精良，且士气高昂，亦不甘示弱。两军绞杀于童山之下，从清晨一直厮杀至傍晚，战场上尸横遍野，血流成河，践尸而进，腥风扑面。

    激战之中，李密亲率中军冲锋，欲一举击溃敌军核心。宇文化及亦在阵中，双方主帅相距不过数百步，皆可见对方旌旗。乱战之中，李密不幸被流矢射中，一箭贯入右肩，深入数寸，鲜血顿时染红金甲。他咬牙不拔箭，仍以左手挥剑指挥，然伤势沉重，失血过多，渐渐不支。左右亲兵见状，拼死护卫，拥李密退出战场。

    李密一退，瓦岗军攻势稍挫，宇文化及亦无力追击，双方各自收兵。

    李密退至汲县（今河南卫辉）休整，军中医者为其拔箭疗伤，李密痛晕数次，数日不能视事。

    童山一战，虽杀伤相当，宇文化及的大军却早已精疲力尽，粮草彻底断绝，且伤亡惨重，无力再战。其麾下士卒深知大势已去，继续跟随宇文化及只有死路一条，于是纷纷叛逃，或投瓦岗，或归乡里，一夜之间，营中减员过半。

    宇文化及不甘心失败，又率残部攻打汲县，欲擒李密以扭转战局，然李密虽伤，守备却严，久攻不下。宇文化及只得率领残部仓皇向北转移至魏县（今河北大名西南），企图就地筹粮，再行图谋。可魏县地处贫瘠，且经战乱，百姓逃亡，田野荒芜，即便到了此处，依旧无法筹集到粮草与补给，败局已定。其麾下大将陈智略、张童仁眼见跟随宇文化及毫无出路，先后率领本部兵马数千人，趁夜拔营，归顺李密。

    李密伤愈之后，亲自接见，厚加抚慰，授以官职，使其各统旧部，瓦岗军声势更盛。

    此前，宇文化及将大批军需物资、宫中珍宝留在东郡（今河南滑县一带），任命自己麾下刑部尚书王轨驻守看守。如今宇文化及兵败如山倒，大势已去，王轨审时度势，深知继续抵抗只有死路一条，遂与东郡官吏商议，决定献城投降。