正当义军大发展之际，杜伏威忽改初衷，于大业十四年（618）上表归降朝廷。被任为东南道大总管，封楚王。
　　 唐武德三年(620年)，杜伏威派辅公祏率大军渡过长江，围攻已建国称帝的起义将领李子通。杜伏威义军与十倍于己的李子通义军血战江都，最终获胜，杜伏威顺利地进占丹阳(今南京)，并建国称吴。建国后，杜伏威进行了一系列变法改革，加强政权建设。他选拔、重用了一批有用的政治、文化人才；鼓励发展手工业；实行赋税改革，实行“薄赋敛”政策；废除残忍愚昧的殉葬法；严惩奸盗及贪官污吏等等。使所统治区域，出现了经济复兴、社会安定的繁盛局面。不久，秦王李世民率唐军围攻王世充，派使来劝降杜伏威。唐高祖李渊派使拜其为东南道行台尚书令、江淮以南安抚大使、上柱国。又封他为吴王，赐姓李氏。并封他的儿子杜德俊为山阳公，赐帛5000段、马300匹。在优厚的赏赐面前，杜伏威终于同意降唐了。其后，他派自己的养子、部将王雄诞俘李子通于杭州，又派部将陈正通、徐绍安俘王世充于梁郡，做为入唐的进见礼。
　　 降唐后，杜伏威被留居唐都长安，拜为太子太保，兼行台尚书令，位在齐王李元吉之上。杜伏威好神仙长生术，武德七年（624）二月因食云母受毒猝然死亡。时，辅公祏率部诈称杜意反唐，于是唐高祖降杜罪名。【又说：武德七年(624年)二月，他因辅公祏反唐被李渊毒死。】贞观元年（627），太宗知其冤屈，诏复官爵，以公礼改葬，仍还其子山阳公封爵。
　　 也是《大唐双龙传》中人物，是寇仲徐子陵的义父，武器为袖中的一对护臂，被称作“袖里乾坤”