李勣见状，连忙率部上前增援。
就在双方混战之际，辽东城上的守军见到后方敌我双方的鏖战，打开城门，上万高句丽兵开始冲击李勣后阵，险些将唐军战阵冲散。
为了拖住辽东城内的兵力，白集下令对辽东城发动进攻，并派儿子行军总管白世绩领所部一千援兵前往助战。
就这样，双方同时在城上城下展开鏖战。
有了白世绩的帮助，李勣总算是稳定了阵线，开始调兵为李道宗打开缺口。
很快，李道宗率领剩余骑兵通过缺口摆脱了高句丽军的围杀，出现在两军阵外不远处的山上，整顿收拢残军。
见李道宗顺利出阵，李勣便开始指挥着唐军阵线开始收缩，并缓缓退后，等待李道宗从敌后方再次冲击。
然而就在这时，负责左翼的行军总管张君乂竟然在没有得到命令的前提下，提前退走，唐军战阵出现缺口，致使唐军突然处于形势危急的地步。
此时，李道宗终于成功收拢了残军，并整顿好了阵型，他登上高处，望见右翼白世绩所在阵段对面的高句丽军阵线稍显混乱。
于是纵兵进击，白世绩也引军助战，将高句丽左阵击溃，由此大败高句丽援军，斩首一千余级，俘获数千，其余遁入深山老林。
五月十五日，唐军主力依旧在围攻辽东城。
这时候李世民亲自从幽州行宫抵达辽东前线，亲率精兵会师，最终将其攻陷。
此役唐军共杀敌一万余人，俘获高句丽军一万多人，百姓四万口，牲畜钱财无算。
六月，李世民留在辽东城督战，指挥唐军分散四处出击，攻拔高句丽的各处城寨。
很快，辽东城后方各处的高句丽城寨都被唐军拔除，唐军粮道无虞。
七月，李世民亲自指挥围攻高句丽重镇安市城。
并设计引诱高句丽军在安市城东南与唐军大战，唐军依山列阵，并命白集引军一万一千人隐蔽从山北穿越峡谷。
在两军大战之际，突击高句丽军阵后，李世民亲率四千步、骑兵，偃旗息鼓，登上北山，冲击高句丽军右翼。
高句丽北部都督高延寿中计大败，高句丽军被斩首两万余级。
安市城之战后，高句丽举国震惊，渊盖苏文终于知道唐军与隋军不一样。
于是遵循谋士定下的绝户计，命令黄城、银城等地军民弃城而逃，并将安市周围数百里内的全部百姓迁走，断绝人烟。
妄图将唐军困死，饿死在安市之外。
然督办军粮的白宸早有准备，命人启动莱州粮仓，从海路经由渤海湾进入辽水，运抵辽东城。
有张亮所率领的海军保护，海路运粮远比陆路输粮更好。
但即使在粮草无忧的情况下，安市城仍旧没有攻破。
只因为高句丽军在城内散播唐军因为久攻不破，准备破城之后坑杀全城男女老幼，所以百姓皆全力支援守城士卒。
于是唐军一直顿兵安市，直至辽东气候转寒。
接到后方白宸转来的多地草枯水冻，运粮船很难凿破水面冰层，加之气候一日更比一日寒冷，粮草也将要耗尽。
最终李世民决定下令班师，并令李勣与李道宗率步、骑军四万殿后。
十月十一日，凯旋回军途中停驻营州，李世民下令用牛羊猪三牲祭奠为国事牺牲的人们，并为隋朝征讨高丽的阵亡者造墓。
十月十三日，辽东道行军总管张君乂有罪，被处死。
十月二十一日，皇太子李承乾到临渝关拜迎李世民。
十月二十三日停驻汉武台，刻石碑纪功。
此次唐军远征高句丽与隋朝不同，动用的军队很少，且战果远大于损失。
不仅消灭了高句丽主力十多万人，而且缴获极其丰富，又占领了辽东城，为唐军之后再攻伐高句丽夺下了一个桥头堡。