隋场帝大业十三年（617） 七月，李渊在晋阳起兵反隋，长子建成与四子元吉从河东赶来赴义，后李渊亲率建成与次子世民统军西攻长安，因三子玄霸早夭，于是以15岁的元吉为太原郡守，授15郡诸军事、镇北将军、太原留守等职以镇守太原。这时之太原，北有突厥和割据者刘武周的势力，又有来自其他方面的隋地方势力和割据者的威胁。从李渊起兵到登上帝位，太原方面未发生意外，使李渊无后顾之忧，保证了建唐的成功。武德元年（618） ，元吉被封为齐王，任并州总管，仍然镇守太原。史载此时元吉“性好政猎，又纵其左右攘夺百姓” ，被副将宇文歆所参，“元吉竟坐免。又讽父老诣阙请之，寻令复职”。武德二年（619），刘武周率五千骑南侵，因元吉用人不当，致使车骑将军张达降敌，引敌攻陷榆次，进逼并州。元吉俱敌，骗司马刘德威守城，自率强兵乘夜冲出城，然后携妻妾弃军奔还长安，致使并州陷落。高祖因元吉年幼，不予处罚，加受其侍中、襄州道行台尚书令、稷州刺史，以宰相主持方面军事。武德四年（621），元吉以副帅佐秦王世民征讨王世充，当时唐军围攻洛阳，河北窦建德率军来救洛阳。唐军兵分两路，一路由秦王率领迎击河北起义军，一路由元吉指挥仍围洛阳。洛阳守军出城欲与河北军遥相呼应夹击唐军，“元吉设伏击破之，斩首八百级，生擒其大将乐仁昉、甲士千余人。”致洛阳军从此龟缩城中，直至投降。“世充平，拜司空，余官如故，加赐衰冕之服、前后部鼓吹乐二部、班剑二十人、黄金二千斤，与太宗各听三炉铸钱以自给。”同年，元吉又与秦王率军东击刘黑阔。几经激战，互有胜负。次年十月，元吉又率军与刘黑阔战于洺州。十一月，其副太子建成率唐军主力镇压了刘黑闻起义，山东境内最后平定。武德六年（623），加授其隰州总管。武德九年（626），“转左卫大将军，寻进位司徒、兼侍中，并州大都督、隰州都督、稷州刺史并如故。” 当时突厥郁射设屯军河南，入围乌城，“建成乃荐元吉代太宗督军北讨，仍令秦府骁将秦叔宝、尉迟敬德、程知节、段志玄等并与同行。又追秦府兵帐，简阅骁勇，将夺太宗兵以益其府。” 这虽然有太子与秦王争夺统军权的斗争，也表明元吉经过近10年的统军征战，已由一个初经战阵的少年成长为一个颇有才能的军事统帅了。

综观元吉在唐初的活动，几乎全是在统军作战中度过的，尽管其曾有并州之失和短期免官的经历，但这显然与其当时年少有关，加之唐当时之军事主力正由秦王统帅在陇西作战，并州守军虽众，终是地方武装，无法与刘武周的主力抗衡。另外，唐中央又未及时对并州进行军事援助，故致其败绩。此后其副秦王、太子不断率军出征，又主持襄州道行台、并州、稷州等军政，皆号称职而有战功。实际上其已成为仅次于秦王的唐军统帅了，在官爵与地位上亦与秦王分庭抗礼，对唐王朝的建立作出了突出贡献。

元吉在武德时期宫廷之争中依附太子建成，这是有其历史原因的。与两《唐书》及《资治通鉴》的记载相反，太子建成是一位既参与晋阳起兵密谋又有建唐大功的文武全才的历史人物，武德年间其有以太子身分佐理政务之功，又有统军征讨的战功。只是因为太子地位尊贵，不能经常统军征战，遂使秦王借统军之机扩充了个人势力，并进而企图取代太子建成的地位，建成为保位而被迫对秦王进行反击。双方在朝中各树朋党，对于元吉这个实力派，自然双方都要争取。但建成既为国之储君，即是合法的未来皇帝，秦王不管如何功高位重，其地位与建成终究不能相比。那么，按照封建正统观念，元吉自然要支持太子建成了。再则元吉在佐秦王征战中可能与其发生了矛盾，例如秦王竟然容忍亲信将领尉迟敬德与元吉比矛，无论从亲疏和尊卑两方面而言，都表明了秦王对元吉的敌视与冷漠态度。兄弟两人皆以亲王身分统军征战，对兵权的争夺必致两人不和。何况建成曾许诺自己当皇帝后要立元吉为太弟，将来继承皇位，这当然能满足元吉的权力之欲。至于秦府僚属谓元吉有先除秦王再除建成之意，这大概是鼓动秦王早日对建成、元吉下手之说词，其真实性很值得怀疑。元吉既与建成联势，但深知秦王的性格，其若用和平的方式争不到太子地位，肯定要孤注一掷，用武力来消灭建成与自己这两个帝位竞争对手。故元吉力主建成对秦王先下手，他曾暗中指派护军宇文宝谋刺秦王，被建成所阻止。接着他又进宫密请高祖杀掉秦王，高祖不从。在“玄武门之变” 前夕，高祖因秦王密奏召建成元吉进宫对质，元吉即主张“宜勒宫府兵，托疾不朝，以观形势。” 建成不听，遂拉元吉贸然入宫，致在玄武门遭到秦王有计划的伏击，兄弟两人皆死于非命。元吉因是太宗政敌，故唐代史臣对之多所贬斥，后世史书多循唐史臣之说，对元吉这个在唐初起过重要作用的历史人物进行了不公正的指责。