看情况不妙，忤士政和浑干等将领也只好加入了逃命的队伍，带着身边还能指挥的军队争先西逃，隋军各部则穷追猛打，逼迫薛军败兵只能是冒险淌水过河，被淹死冻死众多，好些薛军将领还因为身上盔甲过于沉重的缘故，落水后就再没有机会再爬起，在只是齐胸深的水中被活活闷死。隋军将士则在后面猛砍猛杀，促使薛军更加慌乱东逃，斩获无数，也坑得薛军士兵被淹死冻死无数。
与此同时，被隋军骑兵调虎离山的薛仁果也隐隐察觉情况不对，主动下令停止追击，掉头赶回温汤河战场，不再理会隋军骑兵叫骂挑衅，得到过李靖事先指点的刘十善虽然没有发起攻击，却率领着隋军骑兵遥遥跟随其后，始终保持在薛仁果的视野之范围之内，对薛军骑兵施加心理压力，让他们不敢心无旁骛的直接返回河口战场。
撤退路上，薛仁果终于收到忤士政派快马送来的告急消息，大惊之下，薛仁果下令全军全速回援，刘十善也命令隋军骑兵加速咬住，保持与薛军骑兵的距离等待战机出现。结果也一切都在李靖的掌握之中，当薛仁果带着骑兵重新杀回营地战场，他的步兵主力已然崩盘大败，死尸几乎让温汤河断流，同时还有一支隋军步兵当道拦住了薛仁果骑兵的西进回援道路。
这么快就输得这么惨，惊怒之下，大发雷霆的薛仁果率军直冲隋军拦截阵地，想要多少斩杀一些隋军士兵为自军步兵报仇，然而薛仁果很快就发现他干了一件蠢事，列阵以待的隋军步兵不仅以强弓硬弩热情招待于他，还在阵上突然使出了火枪武器，原始的火绳枪虽然在射速方面不及弓箭，射程方面不及强弩，可是突然看到隋军阵中发出巨响，喷出火光，不要说薛军士兵被吓住，就是薛军骑兵的战马也被吓得纷纷人立止步，让许多倒霉的薛军骑兵掉落下马。
刘十善傻了才会放过这样的好机会，稍微整队之后，隋军骑兵全速冲锋猛击薛军骑兵背后，隋军步兵也列队而上，与自军骑兵前后夹击薛仁果，薛军骑兵腹背受敌，薛仁果被迫率军绕过隋军步兵阵地，全力向西逃命，刘十善在后面穷追不舍，靠着步兵帮助以少胜众，砍死砍伤数量相当不少的薛军骑兵。
也是到了薛仁果带着骑兵逃过了温汤河后，李靖才令发起总攻，还带着军队一直追到了薛仁果军的渭水渡口，在渡口处再度挫败薛仁果军，逼得薛仁果只能是靠砍断浮桥方才挡住隋军追击，损失相当惨重。
马三宝当然也没客气，看到薛仁果军大败逃回，马三宝也立即出兵反攻，在薛军败兵渡河北逃时趁火打劫，取得了不小斩获，也亏得薛仁果还算谨慎的在眉县城外留下了五千军队，及时出兵接应，挡住马三宝的攻势，不然的话，薛仁果军这一战败得肯定更惨。但就算如此，逃过渭水之后，薛仁果还是不敢再在眉县战场继续打下去，稍微收拢了一下败兵，当天傍晚就弃营逃往了来路。
和薛仁果分析的一样，隋军现在可以容忍薛举军暂时控制陇西和天水，却绝不容许薛举军盘踞在距离大兴极近的扶风郡内，闻得薛仁果弃营撤退，李靖立即命令马三宝的生力军发起追击，自己则率军连夜渡过渭水，在眉县城下稍作休息，然后集中精锐战兵发起追击，不给薛仁果军拿下扶风郡治雍县的时间和机会。
