贞观十八年（644年）二月，高丽大莫离支渊盖苏文弑君自立，实行铁血统治，又入侵邻国新罗。新罗派出使者向唐太宗求救。唐太宗准备派兵征讨高丽。

谏议大夫褚遂良以前太子谋反对朝廷政局有所影响，不确定因素还没有完全清除，且国家内部经济正值蒸蒸日上之季，还是宜于安稳发展及辽东偏远，劳师动众不划算等理由予以反对。李世民就转而征询李勣的意见。李勣则说：“当年薛延陀进犯，陛下就想要发兵讨伐，因魏徵谏阻而作罢，以致使之直到今日仍为祸患。那时如果采用陛下的策略，挟荡平东突厥的余威，采取雷霆之势，扫灭番帮，使之噤若寒蝉，那北疆早就安宁了。如今高丽作乱，也不过效仿薛延陀而已，欲就地坐大，好在以后抗衡我大唐天朝。如今若不征讨他们，等他们蚕食邻国而得以壮大后，再联起手来，就不是那么好对付了。”李世民听后表示同意，并准备御驾亲征。

为了恫吓薛延陀，李世民还趁薛延陀使者到长安来陈述其可汗夷男一直对突厥（此时为唐太宗培植的亲唐势力）用兵的原因之季，挑明了对他们说自己要出兵去攻打高丽了，问夷男是否敢趟这淌浑水，与高丽联合起来对付唐军。夷男表示愿出兵相助攻打高丽，却被唐太宗拒绝了。毕竟当时薛延陀明面上虽没有与唐朝拉爆关系，但一直很不听唐朝的话，是个很不好确定的因素。唐太宗只需要吓住薛延陀，使之不敢轻举妄动就行了。

十一月，李世民任命刑部尚书张亮为平壤道行军大总管，率水军自莱州渡海攻平壤；李勣为辽东道行军大总管，领步、骑军六万以及兰、河二州的外族降军进攻辽东。张、李两军协力并进。

贞观十九年（645年）二月，李世民亲征高句丽。同月，李勣率所部抵达幽州，与各路唐军会合。

之后，李勣来了个“明修栈道，暗度陈仓”之计，从柳城进军，大张声势，表面上作出要通过怀远镇的假象。暗中却派部队北上直趋甬道，出其不意，进攻高句丽。

四月，李勣从通定渡过辽水（辽河），抵达玄菟。高丽人大为惊骇，各城都闭门自守。

此时，辽东道副大总管、江夏王李道宗及营州都督张俭相继到达。张俭更直趋建安城，大败高句丽军。四月十五日，李勣与李道宗合攻盖牟城（今辽宁抚顺），至二十六日攻陷了盖牟城，俘获百姓两万多口、粮食十多万石。

随后，李勣率军直抵进至辽东城（今辽阳市区辽阳老城东北隅）下。李道宗准备率四千骑兵击闪击高丽四万援军，众将都不认可，唯有李勣同意。但在交战中，因行军总管张君义率先撤退走，致使李道宗初战不利。李道宗收拢残军，登上高处，却发现高丽军阵混乱了，于是又纵兵进击。李勣也引大军助战，大破高句丽军，斩首一千余级。原来，李勣暗中派出了一些小分队，乔装成高丽兵，趁李道宗与高丽援军作战混乱之际混入了敌阵中，再伺机发难。李勣之所以没有向李道宗言明，就是怕过早说破了此计就不灵了。

李勣围攻辽东十二日后，李世民抵达了辽东前线，亲率精兵会师，最终将攻陷了辽东城。

此役，唐军共杀敌一万余人，又俘获高丽军一万多人、百姓四万口。

六月，李勣又转攻白岩城（今辽宁省岫岩）西南，迫使其城主归降。

之后，李勣又参与围攻安市城（今辽宁海城东南营城子）。唐军君臣定计，李世民以身为饵，将高句丽援军诱至安市城东南，然后依山为阵。李勣则早已率一万五千名步、骑兵在西岭布阵。长孙无忌则率骑兵一万一千人从山北穿越峡谷，冲击高句丽军阵后。李世民亲率四千步、骑兵作为预备队，偃旗息鼓，登上南山坐阵指挥。高丽北部耨萨（都督）高延寿中计，在唐军的几面夹击之下大败，高丽军被斩首两万余级。