贞观十八年（644 年）二月，高丽大莫离支渊盖苏文心怀叵测，弑君自立，以铁血手段施行残酷统治，随后竟悍然入侵邻国新罗。
新罗朝中顿时一片哗然，局势岌岌可危，无奈之下，新罗派出使者，马不停蹄地赶往唐朝，向唐太宗李世民求救。唐太宗听闻此事，震怒不已，当即决定准备派兵征讨高丽，以维护大唐在东北边境的威望与安宁，同时帮助新罗抵御强敌。
消息传至朝堂，立即引发了朝臣们的热烈讨论。谏议大夫褚遂良忧心忡忡，他深知以前太子谋反一事，对朝廷政局产生了不小的冲击，至今不确定因素尚未完全清除。并且，国家内部经济正处于蓬勃发展的上升期，正是宜于安稳发展的大好时机。辽东地处偏远，若劳师动众远征高丽，路途遥远，不仅耗费巨大的人力、物力、财力，还可能会引发诸多不可预见的变故，于国家长远发展不利。于是，褚遂良据理力争，竭力反对出兵。
李世民听完褚遂良的谏言，觉得不无道理，但心中征讨高丽的决心仍未动摇。于是，他转而征询李积的意见。李积微微沉思片刻，目光深邃而坚定，缓缓说道：“陛下，臣记得当年薛延陀进犯，陛下就心怀壮志，想要发兵讨伐。当时由于魏徵谏阻，陛下最终作罢，致使薛延陀直到今日仍为祸患。那时倘若陛下采用果断策略，凭借荡平东突厥的赫赫余威，以雷霆之势出击，迅速扫灭番帮，定能让其噤若寒蝉，北疆也早就得以安宁了。如今高丽作乱，其实与薛延陀如出一辙，他们同样妄图就地坐大，其野心昭然若揭，显然是想在未来与大唐天朝分庭抗礼。倘若我们今日不征讨他们，任由其肆意蚕食邻国而不断壮大，待到来日他们联合起来，届时局势势必更加错综复杂，恐怕就不那么容易对付了。”
李世民听后，深以为然，深感他说到了关键之处。于是，他更加坚定了征讨高丽的决心，并开始着手准备御驾亲征，以彰显大唐天威。
为了进一步恫吓薛延陀，李世民眼珠一转，计上心来。趁着薛延陀使者来长安陈述其可汗夷男一直对突厥用兵的原因之际，李世民话锋一转，明确挑明了自己要出兵去攻打高丽的决策。
然后，他不紧不慢地问道：“夷男，你可敢趟这淌浑水，与高丽联合起来对付唐军？”
夷男听闻，心中思索再三，为了在唐朝面前展现自己忠心不二，同时也为了趁机捞取一些利益，连忙表示愿出兵相助攻打高丽。然而，这一提议却被唐太宗果断拒绝了。
毕竟，此时薛延陀明面上虽未与唐朝彻底撕破脸，但其一直以来对唐朝的诸多不驯服之举，使得大唐对其始终保持着高度警惕。他们实乃一个非常不好确定的因素，唐太宗只需吓住薛延陀，让其不敢轻举妄动也就足够了，绝不能让其趁机与高丽勾结，给唐朝带来更大的麻烦。
十一月，李世民精心调兵遣将，任命刑部尚书张亮为平壤道行军大总管，率领水军自莱州渡海攻平壤；任命李积为辽东道行军大总管，统领步、骑军六万以及兰、河二州的外族降军进攻辽东。这两路大军如同两把利刃，协力并进，直指高丽。
贞观十九年（645 年）二月，李世民亲自披挂上阵，率领大军浩浩荡荡地亲征高句丽。同月，李积率所部抵达幽州，与其他各路唐军迅速会合，一时间，军威大振，士气高昂。
随后，李积开始精心谋划，决定采用“明修栈道，暗度陈仓”之计。他指挥军队从柳城（今辽宁朝阳）正式进军，一路上故意大张旗鼓，敲锣打鼓，做出一副要通过怀远镇（今辽宁辽阳附近）直取高丽腹地的假象，以此迷惑高丽军队。高丽人果然中计，纷纷将兵力调往怀远镇方向，严阵以待。
然而，就在高丽人紧盯着怀远镇的时候，李积却暗中派遣精锐部队，趁着夜色的掩护，悄然北上，直趋甬道（今辽宁海城一带），出其不意地对高句丽发动进攻。这一招出奇制胜，让高丽人措手不及。
四月，李积亲自率领大军从通定（今辽宁辽阳附近）渡过辽水（辽河），如同神兵天降般抵达玄菟（今辽宁沈阳附近）。高丽人大为惊骇，各城守军瞬间慌了神，纷纷紧闭城门，龟缩自守，不敢轻易出战。
此时，辽东道副大总管、江夏王李道宗以及营州都督张俭也相继到达。张俭素以骁勇善战着称，他毫不犹豫地率军直趋建安城（今辽宁盖州），一路上势如破竹，大败高句丽军，斩杀敌军无数，一路高歌猛进。
四月十五日，李积与李道宗合兵一处，合力攻打盖牟城（今辽宁抚顺）。盖牟城是高丽的重要据点，城高墙厚，守军众多。唐军抵达后，立刻展开猛烈的进攻。高丽守军凭借坚固的城墙负隅顽抗，双方展开了长达十一天的激烈战斗。唐军将士们奋勇向前，不惜牺牲，终于在四月二十六日攻陷了盖牟城。
此役，唐军俘获百姓两万多口，缴获粮食十多万石，极大地充实了军需物资，为后续的作战提供了坚实的后勤保障。这一系列的胜利，让唐军士气大振，也让高丽人感到了深深的恐惧。
随后，李积率领大军乘胜追击，一路势如破竹，直抵辽东城（今辽阳市区辽阳老城东北隅）下。辽东城是高丽在辽东地区的军事重镇，城墙坚固，易守难攻。消息传来，高丽四万大军也迅速赶来增援，气势汹汹，意图与唐军决一死战。
李道宗见敌军来势汹汹，却毫不畏惧，反而主动请缨，准备率领四千精锐骑兵突袭高丽四万援军。他深知，若能击溃高丽援军，辽东城便不攻自破。然而，众将对此作战计划心存疑虑，纷纷表示反对，认为敌众我寡，风险太大，稍有不慎，便会陷入绝境。唯有李积独具慧眼，力排众议，给予了支持。他深知李道宗的勇猛与智谋，相信他定能出奇制胜。
然而，战争的进程往往难以预料。在交战过程中，行军总管张君义却怯懦畏战，率先撤退，这一举动如同多米诺骨牌，瞬间引发了连锁反应，致使李道宗初战不利，部队陷入被动。高丽援军趁势反扑，唐军形势危急。
但李道宗并未惊慌失措，他不愧是久经沙场的名将。他迅速收拢残军，登上一处高地，冷静地观察战场局势。他发现，高丽军虽然人数众多，但在追击过程中阵脚已乱，士兵们一片混乱，毫无章法。于是，他果断决策，决定以乱击乱，纵兵进击。
与此同时，李积也迅速引大军前来助战。他早已料到战场形势可能会出现反复，因此一直在附近待命。唐军主力的加入，如同注入了一剂强心针，士气大振。经过一番激战，唐军最终大破高句丽军，斩首一千余级，高丽援军溃不成军，仓皇而逃。
原来，李积在战前暗中极为巧妙地派出了一些小分队。这些士兵乔装打扮成高丽兵的模样，趁着李道宗与高丽援军作战混乱之际，悄然混入了敌阵之中。待时机成熟后，他们再趁乱发难，从内部搅乱敌军阵脚，使得高丽军陷入一片混乱，从而为唐军的胜利立下了汗马功劳。
而李积之所以没有提前向李道宗言明此计，是因为他深知战争的复杂性。若过早说破，计策一旦泄露，便难以发挥出应有的奇效。他相信李道宗的应变能力，也相信自己的谋略能够扭转乾坤。事实证明，他的决策是正确的，这一战不仅击溃了高丽援军，也为后续的军事行动奠定了坚实的基础。
随后，李积对辽东城展开围攻，整整十二日，战况激烈。
就在这时，李世民率精兵抵达辽东前线，他与李积会师后，亲自指挥作战，最终成功地将辽东城攻陷。此役，唐军大获全胜，共杀敌一万余人，又俘获高丽军一万多人、百姓四万口。
六月，李积又率领大军转攻白岩城（今辽宁省岫岩）。他巧妙运用战术，对白岩城形成重重包围，给守城军民造成了巨大的心理压力，最终迫使城主归降。
之后，李积又参与围攻安市城（今辽宁海城东南营城子）。唐军君臣经过深思熟虑，定下妙计。
李世民决定以自己为饵，将高句丽援军诱至安市城东南。与此同时，他依山为阵，严阵以待。李积则早已提前率一万五千名步、骑兵在西岭布下精妙阵型。长孙无忌则率领骑兵一万一千人，从山北穿越峡谷，准备冲击高句丽军阵后方。李世民亲率四千步、骑兵作为预备队，偃旗息鼓，悄然登上南山坐阵指挥，一切安排可谓滴水不漏。
高丽北部耨萨（都督）高延寿不识破绽，中计在唐军的几面夹击之下，陷入绝境，大败而逃，高丽军被斩首两万余级。
此战之后，高句丽举国震惊，后黄城、银城等地军民皆被吓得弃城而逃，致使数百里内断绝人烟，一片荒芜。
唐军又回师继续猛攻安市城，然而守军凭借坚固的城墙顽强固守。李积经过深思熟虑，认为“围师必缺”之理，于是献计，建议李世民只攻西南二门，同时放出东北二门通道，放任守军从东门与北门逃跑。
他认为如此一来，守军在惊慌失措之下，必然阵脚大乱，更易被唐军歼灭。
然而，李道宗却持有不同看法，他认为敌人数百里内皆已无路可逃，犹如瓮中之鳖，守敌根本不可能逃跑。于是，他奏请李世民破城后进行屠城，企图以此来恐吓城中守敌，迫使他们早日投降。
岂料，安市百姓闻知李道宗奏请克城后坑杀全城男女老幼，皆肝胆俱裂，为了保护自己的家园，他们反而不顾自身安危，全力支援守城士卒。这使得唐军久攻不下，战局陷入了僵持。
最终，因辽东气候转寒，草枯水冻，军队及战马皆难以在如此恶劣的环境下继续久留，而且粮草也即将耗尽，李世民不得已，不得不下达了班师的命令。李积与李道宗则率领步、骑军四万作为殿后，为大军的安全撤离保驾护航。
唐军回师后，朝廷为了表彰将士们的赫赫战功，录功又封了李积的一个儿子为郡公。
唐太宗亲自东征高丽，尽管未能完全达到灭掉高丽的目的，但也沉重地打击了高丽的嚣张气焰，使其在之后很长一段时间内，再也不敢轻易有异动，边境得以暂时安宁。
回师转来，一年后（贞观二十年），唐朝趁薛延陀内乱之机，果断出兵，一举灭了薛延陀，使得渊盖苏文完全被镇慑住了。从此，唐北疆安宁了。这在前面已有表述。
贞观二十二年（648 年），李积转任太常卿，仍任同中书门下三品。十日后，又拜为太子詹事。
贞观二十三年（649 年），李世民卧病在床，生命垂危。临终前，他对着太子李治，语重心长地说道：“你对李积没有什么恩惠，朕现在准备贬他为外官。朕死后，你应当授给他仆射之职，他就蒙受了你的恩惠，必定为你尽死力。”
说完，他又授与李治一个锦囊，并叮嘱他回去看后照着里面纸条上写的做。据传，他在锦囊中留给李治的话是：如果李积外出赴任，就要好好地任用他。如果他执意要留下来，则务必当机立断杀掉他。然后，李世民又派人去召来李积，要他出任叠州都督。李积当即表示服从唐太宗的安排，并且毫不犹豫地回去后，就立即出京到叠州赴任去了，表现出对皇帝旨意的绝对遵从。
李治即位当月，就迅速召他入朝，拜为洛州刺史。接着又加封开府仪同三司，命李积任同中书门下，参与执掌机要事务。同年，又册封拜他为尚书左仆射。
李积在叠州听闻太宗驾崩，太子即位的消息后，心中顿时明白了一切：新皇即位在即，作为太子詹事兼左卫率的他，却被唐太宗给外放了，自己这显然是明显地受到唐太宗的猜忌了。
为了消除皇帝的疑虑，他连忙上表请求免除自己仆射的职务，以表明自己不敢揽朝中大权。李治还是命他以开府仪同三司之职执掌政事，可见对李积还是有信任的。
永徽四年（653 年），李积被册拜为司空。李治命令人为他画像，还亲自为画像作序，以彰显李积的赫赫战功与崇高威望。李治又下诏，特许李积乘小马出入三省，每日由一名小官奉命迎送，足见对李积的尊崇与优待。