贞观十八年二月，相里玄劝解高句丽与新罗罢兵，无果而归。唐太宗和大臣商量朝鲜半岛局势时说：“高句丽莫离支贼杀其主，尽诛大臣。夫出师吊伐，须有其名，因其杀君虐下，取之为易。”在是否出兵攻打高丽的问题上，朝臣意见并不一致。在李勣等人的支持下，唐太宗下定了决心，高句丽违我诏命，侵暴邻国，不可以不讨，立即着手东征高句丽的各项准备。
十一月，各项准备基本就绪。庚子，唐太宗正式下达了东征高丽的诏令，“命太子詹事、英国公李勣为辽东道行军总管，出柳城，礼部尚书、江夏王道宗副之；刑部尚书、郧国公张亮为平壤道行军总管，以舟师出莱州，左领军常何、沪州都督左难当副之。发天下甲士，招募十万，作为前部先锋，开赴辽东。
贞观十九年三月，唐太宗将国内事务安排之后，亲率大数十万军从洛阳出发作为后队，唐朝与高句丽的战争爆发。唐朝建国以后，高句丽虽然不断遣使朝贡，但对中原王朝的戒惧心理一直存在。从贞观五年起，高句丽人明显地加快了备战步伐，于辽河以东修筑长城。
长城东北自扶余城，西南至海，千有余里，加强了针对唐朝的防范力度。如何突破由辽河、长城组成的双重防线，是唐军进入辽东地区的重要一步。贞观十九年三月，陆军先头部队到达怀远镇，为了避免强渡辽河造成不必要的损失，行军总管李勣采用明修栈道暗渡陈仓的用兵策略。
唐军摆出强渡辽河的强大攻势，先把高句丽军队的注意力吸引过来，然后暗中派兵从辽河上游的通定镇附近隋炀帝东征高句丽时所修的浮桥上秘密过河，兵至玄冤城下，副总管李道宗率领的部队迅速包围了辽东地区军事要地新城。
唐军渡过辽河以后，“高句丽大骇，城邑皆闭门自守。”张俭率领的由胡汉多民族组成的联军，乘机在怀远镇一带抢渡辽河，直逼建安城下，高句丽人事先设计的辽水、长城防线被打破。措手不及的高句丽人，没能及时进行战略调整，重新组织起有效而严密的防御体系，辽东重镇盖牟、辽东、白岩等城，先后被唐军攻占。
唐军攻打安市时，遇到高句丽守军的顽强抵抗。虽然应用围点打援之计击溃了前来增援的高句丽、靺鞨联军十五万人，迫使主将高延寿、高惠真等人“以其众降”，但始终没有攻下安市城。张亮等人率领的水军在辽东半岛登陆后，攻克卑奢城，和张俭等人率领的军队联合进攻建安城，亦未攻克。
贞观十九年九月癸未，唐太宗以“辽左早寒，草枯水冻，士马难留，且粮食将尽”下令班师。此次东征，攻克“玄冤、横山、盖牟、磨米、辽东、白岩、卑沙、麦谷、银山、后黄十城，徙辽、盖、岩三州户口入中国者七万人。新城、建安、驻跸、三大战，斩首四万余级，战士死者凡二千人，战马死者十七、八。”虽然没有取得对高句丽的最终胜利，但也以较小的代价，获得了在辽东地区的立足之地。并于辽东城一带设置州县，派兵镇守，以为续征高句丽之凭籍。
唐太宗君臣亲临辽东，经过将近一年的战斗经历，使他们对辽东地区的山川形势、关隘险易、风土人情，已有较全面了解。深刻认识到，征服高句丽并非轻而易举之事。如何攻打高句丽，唐太宗召集群臣进行过激烈辩论。
唐朝君臣普遍认为：高句丽城锥依山，攻之不可卒下，往前銮驾亲伐，废其耕稼，所陷之城，并收其谷，韩师旅炎早相继。若得少兵番次躁其边场，疲于奔命，若再三如此，高句丽必大窘迫，自然逃散，谁肯为莫离之守城鸭绿水以北，可不战而取。若采用轮番扰袭的战略计划，破坏其正常的农牧生产，从经济上给以沉重打击，使其财力俱尽，人心惶惶，不战自乱。对唐朝而言，实为上策。这一策略的制定与实施，为后来的唐高宗时期获得对高句丽决战的胜利奠定了基础。
贞观二十一年三月，唐太宗开始对高句丽进行扰袭，“以左武卫大将军牛进达为青丘道行军大总管，右武侯将军李海岸副之，发兵万余人，乘楼船自莱州泛海而入。又以太子詹事李勣为辽东道行军大总管，右武侯将军孙二郎副之，将兵三千人，因营州都督府兵自新城道入。
李勣等人率领的陆军，对辽东地区中北部一带进行战略袭击，历南苏等数城，唐军虽然和高句丽守军展开激战，但没有对城池实施强攻。牛进达等人率领的水军在辽东半岛登陆以后，与高句丽军队进行了近百次激烈战斗，攻克石城、积利城等数城。水陆两军在完成了预定的战略计划以后，主动撤回。
贞观二十二年正月，唐太宗又任命右武卫大将军薛万彻为青丘道行军大总管，右卫将军裴行方副之，“率甲士三万自莱州泛海伐高句丽。”这次没有陆军配合作战，主要目标是鸭绿江流域的中下游地区。四月甲子，古神感率领的水军一部，在易山与高句丽军相遇，将其击溃。
夜里，“高句丽万余人袭神感船，神感设伏，又破之而还。”薛万彻率领的大军进行了较长时间的战斗，溯鸭绿江而行百余里，攻至泊汋城。泊沟城因山设险，阻鸭绿水为固，乃鸭绿江下游的军事要地。九月，天气转冷以后，薛万彻等人才撤军。
唐朝前期，新罗时常处于高句丽、百济和靺鞨等民族的进攻之下。为了自身利益，新罗不断遣使唐朝，迫切希望能够得到唐朝的支持。唐朝政府审时度势，不仅从道义上支持新罗，而且不失时机地应新罗请求出兵辽东，给以军事援助，使高句丽处于南北两线同时用兵的不利局面，被迫从新罗撤军。
唐朝与新罗的军事合作，巩固了双方的同盟关系，在唐军渡海攻打百济之时，新罗王金春秋能够坚定地站在唐朝一边，“将新罗之众，与之合势”，对唐军战胜百济以及击退倭兵对朝鲜半岛事务的干涉具有重要意义。