玄武门位于长安太极宫的北部，是皇亲国戚和众臣进入皇宫的必经之地。关于玄武门在当时的重要位置，陈寅恪先生曾有评论：“玄武门在唐朝多次政变中均处于关键位置，谁控制它，就容易在军事上处于优势，取得胜利，因此乃兵家必争之地。”
秦王集团之所以选定在玄武门起事，一是因为这里是进出皇宫的要道，李建成听召入宫一定会从此经过，而且如果在玄武门设伏失败，还可以领用地利控制住李渊，为自己谋求一条后路。所以在决定发动政变后，李世民首先派人收买了玄武门的守将常何，以此来保证日后玄武门设伏不会受到阻碍，加大了政变成功的概率。
武德九年六月初四庚申日（626年7月2日），李世民率领长孙无忌、尉迟恭、房玄龄、杜如晦、宇文士及、高士廉、侯君集、程知节、秦琼、段志玄、屈突通、张士贵等人入朝，并在玄武门埋下伏兵。李建成、李元吉二人不知底细，也一起入朝，骑马奔向玄武门。此时，高祖已经将裴寂、萧瑀、陈叔达、封德彝、裴矩等人召集前来，准备查验这件事情了。
李建成来到临湖殿，察觉到了变化，立即掉转马头，准备向东返回东宫和齐王府。李世民跟在后面呼唤他们，冯立心虚，先张弓搭箭射向李世民，但由于心急，一连两三次都没有将弓拉满，箭没有射中。
李世民却搭弓射向李建成，将他射死了。尉迟恭带领骑兵七十人相继赶到，他身边的将士用箭射中了冯立，冯立跌下马来。可就在此时，李世民的坐骑受到了惊吓，带着李世民奔入玄武门旁边的树林，李世民又被林中的树枝挂住，从马上摔下，倒在地上，一时爬不起来。冯立迅速赶到，夺过弓来，准备勒死李世民，就在这时尉迟恭跃马奔来大声喝住了他。冯立知道不是对手，赶紧放开李世民，想快步跑入武德殿寻求李渊庇护，但尉迟恭快马追上他，放箭将他射死了。
太子李建成的部下、翊卫车骑将军薛万彻得知建成身死，叹息道：“难道能够在太子生前蒙受恩惠而太子一死便逃避祸难吗！”于是，他与屈直府左车骑谢叔方率领东宫的精锐兵马两千人，急驰赶到玄武门，准备为太子报仇。张公谨臂力过人，他独自关闭了大门，挡住薛万彻等人，薛万彻等人无法进入。云麾将军敬君弘掌管着宿卫军，驻扎在玄武门。他挺身而起，准备出战，与他亲近的人阻止他说：“事情未见分晓，姑且慢慢观察事态的发展变化，等到兵力汇集起来，结成阵列再出战，也为时不晚。”敬君弘不听从，便与中郎将吕世衡大声呼喊着向敌阵冲去，结果全部战死。把守玄武门的士兵与薛万彻等人奋力交战，持续了很长时间，薛万彻擂鼓呐喊，准备进攻秦王府，将士们大为恐惧。此时，尉迟恭提着建成和元吉的首级给薛万彻等人看，东宫的人马顿失战心，迅速溃散，薛万彻与骑兵数十人则逃入终南山中。薛万彻杀死敬君弘后，对部下说：“这也可以略微报答太子殿下了。”于是，他丢掉兵器，落荒而逃。至此，政变以秦王李世民的胜利而告终。
政变发生时高祖正在宫内的海池上划船，李世民让尉迟恭入宫担任警卫。尉迟恭身披铠甲，手握长予，径直来到高祖所在的船上。高祖大惊，问道：“今日作乱的人是谁？爱卿到此做什么？”尉迟恭回答道：“秦王因为太子作乱，起兵诛杀了他们。秦王殿下担心惊动陛下，故派臣担任警卫。”高祖对裴寂等人说：“不料今天竟然会出现这种事情，你们认为应当怎么办呢？”萧瑀和陈叔达说：“建成本来就没有参与举义兵反抗隋朝的谋略，又没有为天下立下功劳。他们嫉妒秦王功劳大，威望高，便一起策划奸邪的阴谋。现在，秦王已经声讨并诛杀了他们，秦王功盖宇宙，天下归心，陛下如果能够决定立他为太子，将国家大事委托于他，就不会再生事端了。”高祖说：“好！这正是我素来的心愿啊。”当时，宿卫军和秦王府的兵马与东宫的亲信交战还没有停止，尉迟恭请求高祖颁布亲笔敕令，命令各军一律接受秦王的处置，高祖听从了他的建议。天策府司马宇文士及从东上阁门出来宣布敕令，众人便这样安定下来了。高祖又让黄门侍郎裴寂前往东宫开导原李建成麾下的诸将士，将士们便都弃职而散。于是，高祖召世民前来，抚慰他说：“近些日子以来，我几乎产生了投杼的疑惑。”世民跪了下来，伏在高祖的胸前，号啕大哭良久。
李建成的儿子安陆王李承道、河东王李承德、武安王李承训、汝南王李承明、钜鹿王李承义，还在宗室的名册上删除他们的名字。传说李世民恐惧兄弟的鬼魂前来索命，于是派尉迟恭与秦琼担任门前守卫，但后来因两人年老，无法长期担任，只好转绘制两人的画像挂在门口，成为后世门神的由来。
原东宫则全部没入宫中，后来成为李世民的后宫组成部分，其中较著名的是原来李元吉的妻子杨氏，政变之后被李世民纳为妾，但没有正式封号，宫中呼为“巢剌王妃”，是长孙皇后去世以后唯一一个生下子女的嫔妃。这也是李世民为部分学者所诟病的原因，认为他霸占弟媳，有悖伦常。不过也有学者认为李唐皇室本就有北方少数民族血统，较中原汉族更为开放，兄纳弟媳很正常，他们的思想中乱伦的概念较为淡薄。
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