擊退了高麗援軍以後，李積當即指揮唐軍將士「負土填塹」，準備向遼東城發起進攻。唐太宗也在馬上負土遞送，于是，隨從官員一起與將士負土致于城下。不幾日，城下溝塹俱被填滿。接著，李積下令先用拋車攻城。該攻城拋車體積龐大，可將重達三百余斤的巨石拋出一里之外，所至皆摧，高麗守軍十分懼怕。
為了防御巨石襲擊，守軍用巨木在城上建築遮擋的戰樓並用粗大的繩索結網企圖攔截飛石，但仍被拋車所發巨石擊潰。隨後唐軍又用撞車清除遼東主城左近的副樓，無不傾倒。就這樣，唐軍接連攻城二十多天，晝夜不息。李積與張儉等，率領驍銳與契丹等少數民族兵一起，攻遼東城南。李道宗和張士貴等，攻遼東城西，李宏基等率兵填其濠塹，唐太宗亦率所統六軍相助，將遼東城包圍數十百重，水泄不通，鼓噪之聲，震天動地。五月十七日，南風勁吹，唐太宗以火弩齊射，點燃了西南城樓，大火燃及城中住宅，火光沖天，接著下令精銳士卒登上沖竿之頂，一舉登上城牆。高麗守軍舉大盾以短兵反沖擊，企圖奪回城牆，唐軍以長矛列陣下擊，後面的唐軍在城牆上以擂石奮力下砸，高麗軍終于抵擋不住，被殲一萬余人，俘虜高麗軍一萬余人，俘獲城中男女四千，獲得糧食五十萬石。唐太宗遂以遼東城置遼州，並舉烽火入塞，向李治所居定州通告捷報。
五月二十八日，唐軍在遼東城稍事休整後，又向白岩城挺進。次日，右衛大將軍李思摩被流矢所中，唐太宗親自為其吮血，唐軍將士無不感動，故人人作戰時均決死奮擊不畏生死。蓋蘇文遣烏骨城萬余守軍援救白岩城。唐將契苾何力率勁騎八百迎擊，挺身沖入敵陣，鐵騎沖突，縱橫披靡。高麗軍以長矛相拒，一時間戰陣中長矛亂扎，契苾何力深入敵陣，被敵刺中腰部，血流如注。尚輦奉御薛萬備挺槊單騎往救，在萬眾之中，將何力救回。何力勇氣益奮，略略包扎，束瘡再戰，身邊從騎奮擊，高麗援軍大潰，唐軍追殺十余里，斬首千余級而還。後契苾何力傷口惡化，太宗親自為他上藥，並且將當時刺傷何力的高麗兵高突勃抓獲，任何力處置。可是契苾何力這個少數民族將領並沒有因為私怨隨便處置高突勃，而是說︰「彼為其主冒白刃刺臣，乃忠勇之士也，與之初不相識，非有怨仇。」于是將此人放過。
六月初一，李積率部抵達白岩城下。該城依山臨水，四面險絕。但城主孫代音卻膽小如鼠，當他听說遼東城被唐攻破的消息後，即遣使請降。但當唐軍抵達白岩城下以後．他覺得自己的城池地形險要，而且還有烏骨城的援兵，便反悔了當初的決定，企圖憑險抵抗。可是烏骨城的援兵被輕易擊破，李積率軍將城池團團圍住，用拋車、撞車攻城，飛石流矢，雨集城中。不久，唐太宗亦率六軍抵達白岩西北，听到孫代音反悔後大怒，詔令軍中︰「得城當悉以人物賞戰士。」
于是，唐軍攻勢更加猛烈。孫代音的如意算盤這下子打不響了，看到唐軍攻勢大盛，城池也搖搖欲墜，而且太宗有言在先，城破之後等待他的下場必然是極為淒慘的，于是趕緊又遣心月復請降．約定唐軍臨城後，以「投刀鉞為信」。唐太宗遂把唐軍旗幟交給使者，並說︰「必降者，宜建之城上。」可是這樣一來唐軍將士不干了，本來還盼著打下城池能有巨大的收獲，可是人家一投降，那之前的努力也就功虧一簣了。所以李積帥甲士數十人進諫說︰「士卒所以爭冒矢石，不顧其死者，貪虜獲耳。令城垂拔，奈何更受其降，孤戰士之心。」太宗是個馬上皇帝，自然不會用腐儒的那一套仁義道德來勸解手下的將士，于是說︰「縱兵殺人而虜其妻孥，朕所不忍。將軍麾下有功者，朕以庫物賞之，庶因將軍贖此一城。」以重金賞賜的辦法平息了手下將士的不滿。
不久，孫代音果然把唐軍旗幟插于白岩城上，城中兵民都以為唐軍已經登城，遂相率歸降。由此，唐軍獲城中男女數萬。唐太宗臨水設置帳幃受降，給城中百姓賞賜食物，年八十以上賜以錦帛．他城之兵在白岩者，全加慰諭，分給糧餉器仗，予以釋放，任其所之。又以白岩城為岩州，以孫代音為刺史。原被蓋蘇文所遣援助蓋牟城而被唐軍俘獲的加尸城七百多名高麗兵士，被唐太宗的優撫戰俘的政策所感動，均請從軍效力。但唐太宗卻說︰「汝為我戰，莫離支必殺汝妻子」，故對其賞賜糧餉，全予遣放。六月三日，唐太宗又將蓋牟城改為蓋州。
六月十一日，唐太宗率軍從白岩出發，向安市城挺進。二十日抵達城北，立即發兵攻城。次日，蓋蘇文遣高麗北部絕奴部褥薩高延壽和南部灌奴部褥薩高惠貞統高麗、靺鞨之眾十五萬援救安市。
唐太宗與長孫無忌等率數百騎登上高崗，觀察地形．對可以伏兵及出入之所，均了如指掌。這時，江夏王李道宗認為高麗傾全國兵力援救安市，都城平壤守備必然空虛，因此請撥給精兵五千，直取平壤。但唐太宗卻並沒有答應。李道宗的這個建議後來被李靖所肯定，認為假如當時采用這個計策的話，那麼這次的伐高麗之舉就可竟全功。因為當時唐軍兵力嚴重不足，士兵唯恐不多，在這個時候再要分出五千人奇襲平壤所冒的風險實在太大，雖然太宗一生征戰行險之舉可謂比比皆是，可是現在太宗皇帝已經貴為天子，這時行險的收獲和失敗的風險太過不成比例，最終還是沒有答應。
當晚，唐太宗作了如下部署︰令李積將步騎一萬五千在西嶺布陣，yin*敵軍出擊；令長孫無忌率牛進達等精兵一萬一千以為奇兵，伏于山北狹谷之中，待發起攻擊時，從敵後沖出。自己親率步騎四千，挾帶鼓角，收卷旗幟，登上北山。並下令諸軍，以鼓角之聲為號，一齊出擊。又命有司在朝堂之側設置受降帳幃，胸有成竹地說︰「明日午時，納降虜于此矣」是夜，也許老天也不忍明天高麗軍所面臨的命運，因此降下流星墜入高延壽的營地，可是高延壽依然毫無所覺。
六月二十二日，高延壽發現李積在對面布陣，遂整頓軍士，列陣前來迎戰。唐太宗登上北山後，看見狹谷中塵土飛楊，知是長孫無忌率部已進入指定地點，當即命令鼓角齊鳴。于是，唐軍諸路兵馬鼓噪而進。高延壽不防自己居然被包圍，大為驚慌，連忙分兵抵御，但布置好的軍陣豈是那麼好調整的？在調動的時候便造成了混亂。就在這時風雲變幻，河山變色，陰雲密布，無數雷電自空中劈下，一員白袍唐將伴隨著雷電躍馬而出，手持長戟，腰鞬張弓，大呼先入，所向無前，高麗軍盡披靡卻走。李積以長矛結陣，正面推進，長孫無忌在其後進行突襲，太宗身先士卒，率四千騎兵自北山疾馳而下，突擊高麗軍的側翼，三面合圍之下高麗軍大潰，唐軍斬首兩萬級。
高延壽敗退至山上，收集殘兵，依山自固。唐太宗率唐軍將高麗軍余眾團團包圍。長孫無忌部又拆除了所有橋梁，斷其歸路。高延壽和高惠貞等在走投無路之際，只得率其部三萬人請降，並躬身膝行．進入軍門，拜伏請命。唐太宗挑選褥薩以下酋長三千五百人，授之軍職，遷居內地，坑殺靺鞨兵三千三百，其余兵士全部釋放，使還平壤。這些獲釋兵士皆舉手頓地，歡呼雀躍。唐軍獲馬五萬匹，牛五萬頭，明光鎧萬領，其他軍用器械不計其數。經此大敗，高麗舉國震驚，後黃城和銀城守軍全都自拔逃遁，數百里內無復人煙。
但是安市城小而堅，在城主楊萬春的抵抗下，唐軍圍攻數月不克。長孫無忌以為︰「天子親征，異于諸將，不可乘危徼幸。今建安、新城之虜，眾猶十萬，若向烏骨，皆躡吾後，不如先破安市，取建安，然後長驅而進，此萬全之策也。」而這種方式過去一直是唐軍克敵制勝的法寶。最終唐太宗決定暫時停止這次出征。九月，唐軍班師。
這次征伐高句麗，攻克玄菟、橫山、蓋牟、磨米、遼東、白岩、卑沙、麥谷、銀山、後黃十城，遷徙遼、蓋、岩三州戶口入中國七萬人。新城、建安、駐蹕三大戰，斬首四萬余級。在唐軍，戰士陣亡的約二千人，損失最大是戰馬，損失了七八成。
武明空立在台階下，看著風塵僕僕的李世民，在黃昏的落日下，投下長長的倒影，漸漸看不清神色，突然生出一種英雄遲暮之感。