贞观十八年（644年），唐太宗拟征伐高句丽时遭到谏议大夫褚遂良等的反对，李勣却认

贞观十八年（644年），唐太宗拟征伐高句丽时遭到谏议大夫褚遂良等的反对，李勣却认为不能任由高句丽如薛延陀般坐大成为北方边患，应该予以平定。同年十一月，李勣被任命为辽东道行军大总管，指挥六万步骑兵，以及兰州、河州的外族降卒，与平壤道行军大总管、刑部尚书张亮所率领的水师协同作战，攻打高句丽。 贞观十九年（645年），唐太宗亲征高句丽，李勣率所部抵达幽州（今河北、北京和天津北部）与各路唐军会合。四月，李勣派部队秘密北上，攻抵玄菟（今朝鲜咸镜道，与随后抵达的李道宗军攻陷盖牟城（今辽宁抚顺），俘获百姓两万多口、粮食十多万石。随后，李勣抵进辽东城（今辽阳市区辽阳老城东北隅），力排众议，围攻辽东十二日，待唐太宗所率援军赶到后，与之合力攻陷辽东城，杀死、俘获敌军各一万余，百姓四万口。六月，李勣转攻白岩城（今辽宁省岫岩）西南，迫使其城主归降。 围攻安市城（今辽宁海城东南营城子）时，唐军遭到当地军民的激烈反抗，李勣怒而奏请克城后坑杀全城男女老幼，不料百姓愈发全力支援守城士卒，致使唐军久攻不下。此时辽东气候已经转寒，粮草也将要耗尽，唐军只好班师回朝。因李勣立下战功，朝廷封其子为郡公。 贞观二十年（646年），唐朝与回纥等铁勒诸部击溃薛延陀，多弥可汗逃亡途中被杀，新任的伊特勿失可汗向唐廷请和，唐太宗派李勣与兵部尚书崔敦礼前往郁督军山与之议和，因薛延陀残部摇摆不定，李勣发兵出击，斩首五千余级，俘获男女三万余人，薛延陀灭亡，唐朝准备集兵于贞观二十三年（649年）再一次大规模攻打高句丽。