攻克长安后，李渊立隋炀帝孙代王杨侑为帝，改元义宁，是为恭帝。恭帝进封李渊为唐王，以李建成为唐王世子；李世民为京兆尹，改封秦国公；封李元吉为齐国公。义宁二年（618）李世民徙封赵国公。三月，隋炀帝被杀。五月，李渊即位，国号唐，建元武德，是为唐高祖。李渊以李世民为尚书令。不久，又立李建成为皇太子，封李世民为秦王，李元吉为齐王。在唐朝统一全国的过程中，李世民军功甚多。他首先打败了据有金城（今甘肃兰州）一带的薛举，迫使举子薛仁杲降唐；接着又打退了倚仗突厥势力南攻河东的刘武周、宋金刚；武德四年（621）又打败窦建德，消灭夏政权；同时迫使盘踞洛阳的王世充出降，郑随之灭亡，为统一全国奠定了基础。李世民在统一全国的过程中功业超过李建成和李元吉，但身为次子，不能继承皇位；太子李建成亦知李世民终不肯为人下，于是以李世民为一方，以李建成、李元吉为另一方，展开了争皇位继承权的斗争。武德九年六月四日，李世民发动玄武门之变，杀死李建成、李元吉，逼唐高祖李渊退位，自己称帝，是为唐太宗。次年（627）改元贞观。唐太宗即位后，居安思危，任用贤良，虚怀纳谏，实行轻徭薄赋、疏缓刑罚的政策，并且进行了一系列政治、军事改革，终于促成了社会安定、生产发展的升平景象，史称贞观之治。贞观之治是中国封建时代最著名的“治世”。贞观四年（630），唐太宗遣李靖平定东突厥，俘虏颉利可汗，解除了北边的威胁；九年，平定吐谷浑，俘其王慕容伏允；十四年，又派侯君集平定高昌氏，于其地置西州，并在交河城（今新疆吐鲁番西）置安西都护府。唐太宗对东突厥降众及依附于突厥的各族执行比较开明的政策，受到他们的拥戴，因而被尊为“天可汗”。十五年以江夏王李道宗送文成公主和亲于吐蕃的赞普松赞干布，发展了汉、藏两族间的经济文化交流。但唐太宗亲征高句丽的战争给两国人民带来了灾难，最后无功而还。唐太宗最初立长子李承乾为太子，后来又爱重第四子魏王李泰，李承乾由此产生了夺嗣之惧，企图发动政变刺杀李泰，没有成功，被废为庶人。唐太宗为防止身后发生兄弟仇杀的悲剧，贬魏王李泰，改立第九子晋王李治为太子，即以后的唐高宗。
太宗晚年著《帝范》一书以教戒太子，其中总结了他一生的政治经验，也对自己的功过进行了评述。贞观二十三年唐太宗病危，令长孙无忌、褚遂良在其身后辅佐李治。去世后，葬于昭陵。