御突厥入侵的北方最前线，突厥多次进攻都被守军凭借地势和城防击退，忽然马邑自己要求归顺，而且又是和雁门守军冲突，如此理想简直就没有理由拒绝。东突厥立即派出援军，配合刘武周一同发起反击，结果雁门军溃败，狼狈逃回雁门。有了突厥这个靠山。刘武周乘胜大举扩张，三月，占领楼烦郡，又攻克了杨广的行宫汾阳宫。俘获了大批珍宝和宫女，刘武周就用俘虏的美女珠宝进贡东突厥始毕可汗。
攻克汾阳宫是刘武周第一个大胜利，其意义非同小可。汾阳宫是皇帝的行宫之一，代表皇帝的尊严。宫内的美女更是皇帝名义上的妾侍，绝对不能得罪，刘武周居然占领了皇帝的整个行宫。甚至将皇帝的女人当礼物送给了突厥，这从任何角度看都是与大隋皇帝势不两立，也是用行动向东突厥表示了高度的效忠。始毕可汗大喜之下，立刘武周为定扬可汗，并把有狼头图徽的大旗送给他。突厥人是以狼为自己的象征，送刘武周狼头纛那是表示拿他当自己人了。受此鼓舞，刘武周意气风发，索性就自称皇帝，把妻子沮氏封作皇后，年号定为天兴。同时任命卫士杨伏念为左仆射，妹夫同县人苑君璋为内史令建立政权。
这时刘武周的地盘还只有马邑、楼烦两郡，于是刚做皇帝的他就努力扩大地盘，全力进攻雁门郡。郡丞陈孝意坚守雁门，拒不投降。雁门城防坚固，易守难攻，当年始毕可汗亲自领军将杨广围困于雁门，猛攻31天，雁门城始终巍然不动，最后在隋朝勤王兵马赶到后，突厥军不得不主动撤退。面对如此坚城，刘武周也无可奈何，陈孝意又不时主动出击，倒让刘武周吃了几次败仗。不过主动权始终还是在兵强马壮的刘武周手中，刘武周也不强攻，只将城紧紧包围，意图困死雁门守军。陈孝意多次派人突围求救，但是皇帝杨广远在江都，陈孝意的上级李渊又心怀叵测，根本没人理他。围困一百余天后，雁门终于粮尽，陈孝意本人是绝对的忠臣，誓死守土，但他的部下们并不都愿意随他殉国，眼看粮尽援绝，部将张伦就暗了杀陈孝意，开城投降。
此时的刘武周已经不是刚起兵时的区区万余人马了，可以称得上兵强马壮，其势力在北方一时称雄。势力大了之后，刘武周也是有烦恼的，烦恼的就是他的主要部将都是当年的马邑土豪，没有那种天下格局、统帅一方的
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