武德九年六月初四（626年7月2日），李世民在长安城宫城玄武门附近射杀皇太子李建成、齐王李元吉，史称“玄武门之变”。
事后，李世民杀李建成、李元吉诸子，并将他们从宗籍中除名。
李渊让出军政大权给予秦王李世民，三天后（六月初七癸亥日，公元626年7月5日），李世民被立为皇太子，下诏曰：“自今以后军国事务，无论大小悉数委任太子处决，然后奏闻皇帝”。
武德九年八月初九甲子日（626年9月4日），李渊退位称太上皇，禅位于李世民。李世民登基为帝，次年改元贞观。
李世民在位初期，听取群臣意见，虚心纳谏。
他采用魏征“兼听则明，偏信则暗”的思想，广开言路；
把选拔优秀人才作为自己和宰相的首要职责，留意各种有用之才，对科举制进一步完备和实施，新设弘文馆，储备天下文才；
在《武德律》的基础上，制定了《贞观律》及其他令、格、式，立法空前完备，身为天子也第一个遵从法律的威严，强调赏罚分明，量刑谨慎；
面对因隋末战乱所致的人口锐减、经济凋敝的情况，继续推行均田制和租庸调制等经济制度，轻徭薄赋，不误农时，兴修水利，增加户口，发展生产，同时大力戒奢崇简，精简机构，以减轻人民负担，节约财政开支；
妥善处理民族关系，对突厥、高昌等进行武力斗争，维护了边疆的安宁，打开了民族交往的通道，创造了民族融合的条件，被尊称为“天可汗”。
在唐太宗统治的贞观年间（627-649年），政治清明，社会安定，经济有了发展，出现了繁荣昌盛的局面，“海内升平，路不拾遗，外户不闭，商旅野宿”“米斗不过四五钱”“民物蕃息”，历史上称之为“贞观之治”。
武德九年（626年），李世民刚登上帝位，梁师都趁太宗地位尚未稳定，策动突厥颉利可汗、突利可汗合兵十余万进攻唐朝，长安戒严。
颉利可汗进兵至渭水便桥之北，同时派执失思力入长安见李世民以观察虚实并施加威胁。
李世民带少数人到渭水边，指责颉利可汗背信弃义，此时李世民已在渭水边布下疑兵。
同时，他对突厥采取妥协政策，送给其大批财物绢帛，与其订立盟约，约定两国和平相处，颉利可汗遂撤兵。
贞观三年（629年），李世民派李靖、李世??、柴绍等人征讨东突厥，李靖统兵几次大败突厥。
不久后，李靖等人再次出战偷袭东突厥，薛延陀也同时进攻。
颉利可汗应战仓促，大败，其余东突厥首领纷纷投降。漠北之地由薛延陀占据，唐朝则占领了东突厥其它领地。
贞观四年（630年），唐军横扫大漠，平定东突厥，解除了来自北方的严重威胁。
唐朝声威远播，各族、各国纷纷遣使到长安。
李世民还爱好文学与书法，有诗作与墨宝传世，他的飞草非常着名，开创了行书写碑。他编写了着名的《秦王破阵乐》。
晚年，李世民着《帝范》一书以教戒太子李治，总结了他的施政经验，同时自评一生功过。
贞观二十三年五月二十六日（649年7月10日），李世民病逝于终南山翠微宫含风殿，在位二十三年，庙号太宗，传位太子李治（唐高宗），初谥文皇帝，累谥文武大圣大广孝皇帝，葬于昭陵。
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