不久，郑德韬、杨德方都死了，又任命郑颋为左司马，郑虔象为右司马。柴孝和劝说李密道：“关中以高山为屏障，以黄河为天堑，项羽离开这里就灭亡了，刘邦在这里建都就成功了。照我的想法，让裴仁基镇守回洛仓，翟让镇守洛口仓，您亲自挑选一支精锐队伍，向西突袭长安，百姓谁不到郊外来迎接，定会不用打仗就到手了。攻克西京之后，等根基牢固兵马强壮，才回头径直攻打东西崤山和函谷关，攻克东都洛阳，传递文书发令调遣，天下可以平定。只是如今英雄豪杰争先恐后地起兵，实在担心别人抢在我们前头，一旦错失机会，后悔哪里来得及！”李密说：“您这个方略，我也想过很久了，实在是个上策。但是杨广还在，追随他的军队还很多，我的队伍，都是山东人，既然知道还没有攻克洛阳，哪里愿意跟着我向西进关？各位部将都出身于绿林好汉，把他们留下会各自称王称霸。如果这样，就全完了！”
李密倚仗部队气势勇猛，往往进入皇家园林跟隋军连续交战。在李密被乱箭射伤，躺在营帐里的时候，洛阳城里的隋军乘机偷袭，李密的兵众四下逃散，放弃了回洛仓，集中到了洛口仓。隋炀帝派遣王世充率领五万名精兵强将进攻，李密迎战失利，柴孝和掉进洛水淹死，李密哭得极度悲痛。王世充在洛口仓西边扎营，跟李密对峙了一百多天，大小战斗打了六十多次。武阳郡丞元宝藏、黎阳义军寇首领李文相、洹水义军首领张升、清河义军首领赵君德、平原义军首领郝孝德，一同归附了李密，联合袭击，攻克了黎阳仓，占领了它。永安首屈一指的豪富家族周法明献出长江黄河之间的大片封地投靠李密。齐郡的义军首领徐圆朗、任城县的大侠客徐师仁、淮阳郡太守赵佗都归附了他。
在此期间，翟让的部将王儒信鼓动翟让担任大冢宰官职，统领百官，夺取李密的大权。翟让的哥哥翟宽又对翟让说：“皇帝只能由我们自己做，怎能送给别人！你如果做不了，就该我来做。”李密知道了这件事，暗中有除掉翟让的打算。恰逢王世充摆着阵势打来了，翟让出兵抵御，遭到王世充猛攻，翟让稍有不利，李密和单雄信等人率领精兵强将救援，王世充败逃。第二天，翟让自己来到李密的营帐，要求饮酒作乐，李密安排菜肴招待他，他所带领的部下一一安排在各处就餐。李密请翟让入席后，拿出一把好弓给翟让鉴赏，翟让刚刚拉满，李密派一名勇士从背后将他斩首，同时杀掉了他的哥哥翟宽以及部将王儒信。徐世勣被混乱的士卒砍了一刀，受了重伤，李密立即制止了，才免于死亡，单雄信等人跪地叩头请求饶恕，李密都免于处分并安慰他们。于是亲自到翟让的各个兵营，向他的将士们通报了情况，没有人敢闹事。就命令徐世勣、单雄信、王伯当分统其众。
李密经过这事取得了瓦岗军的绝对领导权，然瓦岗军的军事实力也因此受到重创。不久，王世充袭击仓城，李密又打败了他，王世充把军营迁移到了洛口仓的北边，在洛水上架设浮桥，派出全部人马进攻李密，李密和一千多人抵抗，形势不利向后撤退。王世充乘胜逼近洛口城下，李密挑选几百名精兵阻截，王世充的兵众全线溃逃，抢着拥上浮桥，淹死了几万人，他的虎贲郎将杨威、王辩、霍举、刘长恭、梁德、董智都已阵亡，王世充只是保住了性命。
当天夜晚，天降大雪，王世充的士卒几乎冻死光了，李密乘胜攻克了偃师县，在这里修筑起金墉城驻扎下来，拥有三十多万人马。东都留守韦津又和李密在上春门作战，韦津大败，当场被捉，隋廷掌管土木营建的官员将作大匠宇文恺叛离东都，投降了李密。东到海滨、泰山，南到长江、淮河，没有哪个郡县不派使者归附李密。窦建德、朱粲、杨士林、孟海公、徐圆朗、卢祖尚、周法明等人都顺势地派人向李密上书劝说他登皇帝位，于是李密手下的官吏们全都劝说他立即称帝，李密说：“洛阳没有平定之前，不能谈这件事。”
李密率三十万大军，进占金墉城，加紧修复城门、城墙和其他防御设施，并兵屯邙山，直逼上春门，洛阳城告急。正在这时，政局突变，宇文化及在江都用练巾勒死隋炀帝，立秦王杨浩为傀儡皇帝，自率十万大军北上，消息传到东都洛阳，被称为“七贵”的大臣们拥立留守洛阳的越王杨侗即位，改元皇泰。王世充专横跋扈，杨侗欲借李密之手除之，遂派人册封李密为太尉、尚书令、东南道大行台行军元帅、魏国公，声称平定宇文化及之后，便让李密前来东都辅政。
李密为避免两面作战，腹背受敌，接受了册封，出兵东讨宇文化及。宇文化及到了黎阳，跟李密相遇，李密知道他的部队缺少军粮，速战速决对他有利，所以不跟他交锋，堵住了他的退路。李密派徐世勣守卫仓城，宇文化及攻打没有成功，李密与宇文化及隔着河水对话，李密谴责他说：“你原来是匈奴的奴隶破野头罢了，父兄子弟都受隋朝厚恩，世代富贵，以至以公主为妻，你得到的光荣，整个朝廷没有第二个。享受国士的待遇，就应以国士的身份来报答国家，怎么能允许陛下失德，不能以死相谏，反而乘反叛之机，亲手弑君，连其子孙也一并戮杀，扶植皇室庶出子弟，独揽大权，自我尊崇，阴谋篡夺王位，侮辱后妃，残害无辜？你不追效诸葛瞻的忠诚，却做霍禹所干的一类叛逆恶行。真是天地不能宽容你，人神也不会保佑你。威逼良善，你打算向何处去！现在如果迅速来归附我，还可以保全你的后代。”宇文化及默默无语，低头俯视了很久，才怒目圆睁大声喊道：“我同你讲砍杀的事，何须引经据典，咬文嚼字？”李密对随行人员说：“宇文化及如此平庸怯懦，忽然想当帝王，这是赵高、圣公一类人物，我只需要折杖驱赶他。”宇文化及大修攻城器具，借以逼近黎阳仓城，李密率领轻骑五百奔赴阵地，仓城兵又出来接应，烧毁了宇文化及的攻城器具，大火彻夜不灭。
李密得知宇文化及粮食快要耗尽，就诈称跟他联合，以便使他的士气松懈，宇文化及不知是计，非常高兴，任凭其士兵无拘无束地吃喝，指望李密送来粮食。后来知道是个计策，宇文化及大怒，跟李密在卫州的童山脚下展开激战，从早晨战到傍晚，李密被乱箭射伤，到汲县休息。宇文化及精疲力尽粮草断绝，士卒多半叛逃，攻了一下汲县之后，迅速向北转移到了魏县。他的部将陈智略、张童仁先后带领自己的队伍归顺了李密。原先，宇文化及在东郡留下了一些军需物资，派遣他设置的刑部尚书王轨看守，到这时王轨献出东郡投降了李密。
正当李密和宇文化及竭力拼杀之时，王世充趁机灭掉了异己，独揽洛阳隋廷朝政，李密得知王世充专权，拒绝入朝朝见，回到了瓦岗军的根据地金墉城。王世充趁李密战后疲惫之机发动进攻，率精兵两万、战骑两千，威逼偃师，在通济渠南岸安营扎寨，在洛水上架设浮桥，准备决战。此时的李密骄傲自满，不再体恤将士，府库中没有什么积蓄，甚至打了胜仗李密都不把战利品分给将士们，使得瓦岗军将领离心离德。贾闰甫、徐世勣等人数度相劝，遭到李密的疏远，李密反而对贪财的邴元真言听计从。
王世充乘势袭击瓦岗军，败瓦岗军数员骁将，李密得知后命王伯当据守金墉城，邴元真守洛口仓城，亲率精兵到偃师迎战，裴仁基建议李密偷袭东都，但李密不听。王世充强渡洛河，双方大战于邙山脚下，王世充大破李密。瓦岗军的裴仁基、祖君彦、程知节等被王世充所擒，邴元真、单雄信等人久不满李密，相继投降王世充。
瓦岗军遭到重创，李密东逃武牢关，王伯当退守河阳，李密对王伯当说：“军队打败了，长时间地劳苦了你们大家，我现在自杀，向大家谢罪。”大伙都哭泣，不能抬头仰视。李密又说：“荣幸的是诸君不肯抛弃我，当一起回关中，我虽惭愧无功，诸君一定能保全富贵。”他的府掾柳燮回答说：“从前刘盆子归附汉朝后，还能享受租赋，明公您与长安的同宗有交情，虽不曾伴随起义，然而阻击东都，截断隋军归路，使唐朝不战而据有京都，这也是您的功劳啊。”大家都说：“是的。”于是，李密西逃长安，投奔李渊，当年瓦岗军的战将秦叔宝、徐世勣、罗士信、程咬金等也都先后降唐。
李密归唐，李渊大喜，拜李密为光禄卿，封邢国公，还将表妹独孤氏嫁给了李密，称呼李密为弟，但李密不甘居于人下，对自己的处境非常不满。李渊派李密去黎阳安抚昔日的部众，左武卫将军王伯当随同前往，李密率部东行至稠桑驿的时候，李渊突然反悔将其召回，李密大为恐惧，决定叛乱。王伯当试图劝阻，但李密不听，李密率部袭破邻近的桃林县，掠夺畜产向南进入熊耳山，前往襄城投奔旧将张善相。
李密的所作所为被熊州副将盛彦师得知，盛彦师率兵埋伏在的陆浑县南邢公岘，李密率部经过，被盛彦师全部杀死，时年三十七，传首长安。李渊派人将李密首级送往黎阳招抚其余部，徐世勣献黎阳投降，请求收葬李密的尸首，得到李渊的允许，随后徐世勣将李密葬于黎阳山西南五里处，坟高七仞。
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