彼时朝堂暗流汹涌，太子李建成、齐王李元吉忌惮李世民军功赫赫、麾下人才济济，暗中图谋削弱秦王势力，秦王府武将成为二人拉拢收买的首要目标。他们知晓段志玄勇武过人、手握精锐骑兵，是秦王左膀右臂，暗中派人携带大量金银绸缎、珍宝财物前往段志玄府邸，以高官厚禄许诺，劝说他背弃李世民，归入东宫麾下。
面对堆积如山的金帛与诱人官位，段志玄没有丝毫动摇，当场将所有礼品悉数退回，严词拒绝东宫使者拉拢。转头之后，他第一时间入宫面见李世民，将李建成、李元吉收买自己的事情全盘托出，一字不落告知秦王，提醒李世民提防东宫暗算。
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此事过后，李世民彻底确定段志玄对自己绝无二心，危难之时绝不会倒戈相向，心中对他信任更胜从前。东宫屡次拉拢失败，转而心生杀意，处处设计陷害秦王府众人，秦王与太子之间矛盾彻底激化，兄弟阋墙的局面无法挽回，玄武门的血色风暴，正在悄然酝酿。
武德九年，大唐储位之争抵达顶峰，李建成、李元吉密谋在昆明池伏击李世民，彻底铲除秦王势力，秦王府众人得知阴谋后，纷纷劝说李世民先发制人，发动兵变。段志玄与尉迟敬德、侯君集、张公谨等人，是最早坚定支持兵变的武将，日夜在秦王府整顿兵马，打造兵器，暗中联络宫中值守禁军，规划行动路线。
六月初四清晨，玄武门之变正式爆发。李世民带领长孙无忌、尉迟敬德等亲信，提前埋伏于玄武门内，等候李建成、李元吉入朝。段志玄身负重任，率领数百精锐骑兵驻守玄武门内甬道，掌控城门要道，这是整场兵变最关键的防线。一旦东宫、齐府援军攻破玄武门，李世民一行人便会陷入重围，满盘皆输，守住城门的重担，尽数落在段志玄肩头。
李建成、李元吉进入玄武门后察觉陷阱，慌忙调转马头想要逃离，李世民紧随其后追击，亲手射杀李建成，尉迟敬德斩杀李元吉。二人尸首落地的消息传回东宫，东宫翊卫车骑将军冯立、薛万彻立刻集结数千东宫、齐府精兵，全副武装猛攻玄武门，想要冲入城门为主子报仇。
数千敌军蜂拥至玄武门外，刀枪映日，鼓声震天，城门外杀声四起，守军将士见到敌军人数众多，心生畏惧，防线隐隐出现松动。段志玄身披重甲，手持长槊立于城门内侧，麾下数百骑兵整齐列阵，战马静立，无一人后退。冯立率领士兵数次冲击城门，远远望见门内段志玄巍然不动，周身气场慑人，麾下骑兵蓄势待发，竟无人敢贸然冲破城门甬道。
薛万彻见状，干脆调转兵马，想要前往秦王府劫掠家眷，以此逼迫李世民退兵，玄武门城外压力稍减。段志玄没有放松戒备，依旧牢牢把控城门通道，分兵派人告知尉迟敬德前线动向，全程守住要道，阻断敌军支援通路，为李世民肃清宫内残余势力争取充足时间。
直至尉迟敬德手持李建成、李元吉首级登上城楼示众，城外东宫、齐府士兵见主君已死，瞬间溃散奔逃，玄武门之变大局已定。整场兵变之中，段志玄坐镇咽喉要道，以数百骑兵震慑数千敌军，守住决定大唐皇权归属的玄武门，功劳无可替代。
事变结束，李渊被迫立李世民为皇太子，不久后禅位，唐太宗正式登基。论功行赏，段志玄作为玄武门核心功臣，一路升迁至左骁卫大将军，封樊国公，赏赐实封九百户，拥有实实在在的食邑，手握皇城禁军兵权，负责皇宫外围防务，是太宗最放心的宿卫大将。
贞观初年，天下初定，朝堂之上文武百官各安其职，边境游牧民族时常南下侵扰，吐谷浑屡屡进犯河西走廊，劫掠商旅、侵占州县，太宗决意出兵惩戒，任命段志玄为西海道行军总管，统领西北各路大军出征吐谷浑。
大军抵达青海境内，吐谷浑部落听闻段志玄领兵前来，自知不敌，连夜驱赶牧马、部族牲畜向西逃窜，留下大片牧场与马匹。部下纷纷建议即刻率军追击，缴获敌军牲畜，重创吐谷浑主力，段志玄却冷静判断：敌军主动撤退，必定设有伏兵，贸然追击容易落入圈套，于是按兵不动，原地驻扎固守，没有贸然出兵。
朝廷御史得知此事，上奏弹劾段志玄逗留不前、错失战机，太宗短暂下诏问责，派人前来问询。段志玄没有为自己过多辩解，只陈述敌军设伏的实情，随后静待时机。没过几日，吐谷浑果然派遣小股部队折返试探，段志玄抓住机会，全军突袭，大败吐谷浑部落，缴获数万匹牧马，彻底击溃河西边境的侵扰势力，向朝廷证明自己按兵不动并非怯战，而是稳妥布局。此战过后，太宗更加认可段志玄沉稳持重的领兵风格，知晓他并非只懂冲锋的莽将，兼具统筹全局的将帅之才。
贞观八年，长孙文德皇后驾崩，举国治丧，太宗下诏，令段志玄与宇文士及二人分别统领禁军，驻守肃章门，管控丧葬期间皇城内外兵马，严守门禁，禁止无关人员随意出入，安保事务全权交由二人处置。
一日深夜，太宗挂念丧礼相关事宜，派遣宫中宦官携带亲笔手敕，前往军营传唤两位将军入宫议事。宦官率先抵达宇文士及营寨，通报是天子使者深夜传旨，宇文士及立刻下令打开营门，亲自出门迎接使者，全程毫无阻拦。
宦官随后前往段志玄驻守的营寨，叩击营门，表明持有皇帝手敕，要求立刻开门放行。谁料营门紧闭，守卫士兵传报段志玄指令：“军门夜晚不可随意开启，无论何人，一律不得入内。”
宦官在门外高声呼喊：“此乃陛下亲笔敕令，事关宫中要事，耽搁不得！”
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段志玄立于营墙之上，隔着大门沉声回复：“夜色深沉，无法辨别敕令与使者真伪，军中规矩不可破，待到天明，方可开门核验诏令。”
任凭宦官在门外百般劝说、拿出天子名号施压，段志玄始终不肯松口，整整一夜紧闭营门，任由使者在门外等候，直至第二日天光破晓，才打开营门，仔细查验手敕，确认无误后才接待宦官。