十一月十五日，刘云芳率领虎威卫万余人先行赶到雁门关。
十七日，刘云芳指挥各军包围了善阳城。
隋军各部集合，约有两万余人，是刘武周所部的三倍之众。
此时蹦跶了一个多月的刘武周终于发现自己陷入了绝境之中。刘武周有野心，也有能力，但并无与隋军主力决战的底气。
刘武周虽然已经派人去联络突厥的新任可汗处罗可汗，但突厥人根本不敢前来。
刘武周面对城外重重隋军，急得是抓耳挠腮。他常在边关，自然知晓城外诸军的实力，而善阳城外无援兵，且今年马邑郡歉收，善阳城中的粮食连一个月都坚持不了，继续打下去，只有城破一个可能。
这时其妹夫苑君璋建议刘武周，善阳城已经不可守，可突围至突厥，再作计较。
刘武周也是犹豫，给胡人做狗，是那么容易的吗？而且突厥也是黄明远的手下败将，投奔突厥有用吗？
正当刘武周犹豫不决，其部将高满政突然打开城门，向城外隋军投降。高满政全家皆死于突厥之手，与突厥有血仇，如何愿意投降突厥。他便劝刘武周向隋军投降，凭这数千将士和一座善阳城，也能保得性命，但刘武周不愿意。
马邑困于兵祸，人心厌乱，高满政利用人心所向，投降了隋军。
此时城门打开，刘云芳遂指挥诸军入城。
刘武周在城中听闻此消息大惊，吓得魂飞魄散，连忙率领亲信突围。
而守卫城中的诸将寻相、张万岁等人皆投降了隋军。
刘武周带着黄子英、苑君璋等人不到千人一路向北，被范文林率军堵在了腊河谷（今山西省朔州市东北洪涛山南）。
刘武周进退不能，被隋军尽灭于此。
在历史上席卷整个河东，给李唐带来最多败仗的一代枭雄，就这么死在腊河谷。
讨平刘武周之后，黄明远便下令，析马邑郡、雁门郡北部，于恒安镇置云中郡，领云内、善无、高柳（今山西省阳高县）三县。
同时又设代北都督府，节制云中、雁门、马邑、楼烦四郡军事，辖兵两万两千人。
以范文林为代北都督兼领云中郡太守；
崔民干为马邑郡太守；
韩元建为楼烦郡太守；
而李子仁统兵五千人，随刘云芳南下。
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