李世民认为高丽大莫离支渊盖苏文弑君残民、“侵暴邻国”，准备派军征讨，谏议大夫褚遂良予以反对，李积则说：“当年薛延陀进犯，陛下想要发兵讨伐，因魏徵谏阻而作罢，使之直到今日仍为祸患。那时如果采用陛下的策略，北疆可保安宁。”李世民表示同意，并即将亲征。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；李积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。
李世民亲征高丽，李积率所部抵达幽州，与各路唐军会合。之后，李积从柳城进军，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，进攻高丽。李积从通定渡过辽水，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，大败高丽军。李积与李道宗合攻盖牟城，陷城后俘获百姓两万多口、粮食十多万石。
随后，李积直抵进至辽东城下，李道宗率四千骑兵击高丽四万援军，众将都不认可，唯有李积同意。但在交战中，因行军总管张君乂率先退走，致使唐军处于不利的境地。此时，李道宗收拢残军，登上高处，发现高丽军阵混乱，于是纵兵进击，李积也引军助战，大破高丽军，斩首一千余级。李积围攻辽东十二日后，李世民抵达辽东前线，亲率精兵会师，最终将其攻陷。此役，唐军共杀敌一万余人，又俘获高丽军一万多人、百姓四万口，李积又转攻白岩城西南，迫使其城主归降。
之后，李积参与围攻安市城，李世民设计将高丽援军诱至安市城东南，唐军依山为阵。又命李积率一万五千名步、骑兵在西岭布阵，长孙无忌率奇兵一万一千人从山北穿越峡谷，冲击高丽军阵后，李世民亲率四千步、骑兵，偃旗息鼓，登上北山。高丽北部耨萨高延寿中计大败，高丽军被斩首两万余级，安市城之战后，高丽举国震惊，后黄城、银城等地军民皆弃城而逃，数百里内断绝人烟。
唐军回师继续猛攻安市城，守军凭坚城固守，安市百姓闻知李积奏请克城后坑杀全城男女老幼，皆全力支援守城士卒，致使唐军久攻不下。最终因辽东气候转寒，草枯水冻，军队及战马难以久留，且粮草将要耗尽，李世民于是下令班师。李积与李道宗率步、骑军四万殿后。唐军回师后，朝廷录功封李积的一个儿子为郡公。
夏州都督乔师望、右领军大将军执失思力大破薛延陀多弥可汗，薛延陀内部发生动乱，多弥可汗随后遭回纥等部攻败。李世民也趁机派军进击薛延陀，薛延陀诸部大惊，骚乱不已。多弥可汗逃奔阿史德时健部落，后被回纥攻杀。薛延陀余众七万余口向西溃逃，拥立真珠可汗之侄咄摩支为伊特勿失可汗，伊特勿失遣使上书朝廷，请求在郁督军山北麓保聚驻牧，李世民派李积与兵部尚书崔敦礼前往安抚。李积抵达郁督军山后，薛延陀部落首领梯真达官率部下投降，咄摩支往南逃窜到荒谷，李积派通事舍人萧嗣业招慰其部属，咄摩支随即投降，被送至长安。此时，薛延陀残部仍摇摆不定，李积纵兵追击，前后斩首五千余级，俘获男女三万余人。
李世民卧病，对李治说：“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。”于是，派李积出任叠州都督。李治即位当月，召他入朝拜洛州刺史，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，册拜为尚书左仆射。
李积上表请求免除自己仆射的职务，李治还是命他以开府仪同三司之职执掌政事。李积被册拜为司空，李治命令为他画像，还亲自为画像作序，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。
李治欲废王皇后，立昭仪武氏为皇后，怕朝中大臣反对，于是召李积与长孙无忌、于志宁、褚遂良等顾命大臣前往商议，李积称病不到，而褚遂良坚决反对“废王立武”。事后，李治暗中询问李积说：“朕打算立武昭仪为皇后，褚遂良固执己见，以为不可。褚遂良是顾命大臣，这件事应该怎么办呢？”李积回答说：“这是陛下的家事，何必更问外人！”李治自此坚定了“废王立武”的决心，而李积也因此得到了李治和武皇后的信任。
李积跟从李治到东都洛阳，在路上得病，李治亲自慰问。李治东封泰山，封李积为封禅大使，随驾前行，途中在滑州住宿，李积的姐姐很早守寡，住在李积的旧宅，武皇后亲临她的住所慰问，赐其衣服，封她为东平郡君，李积又坠马伤脚，李治亲自下问，把自己乘坐的马赐给他。
渊盖苏文病死，其子泉男生继掌国事，泉男生的兄弟泉男建、泉男产趁机发难，驱逐泉男生，泉男生投奔唐朝，恳求唐朝发兵相助。李治先遣右骁卫大将军契苾何力为辽东道安抚大使，右金吾卫将军庞同善、营州都督高侃为行军总管，以泉男生之子泉献诚为乡导，一同进讨高句丽。李治任命李积为辽东道行军大总管兼安抚大使，司列少常伯郝处俊担任副手，庞同善、契苾何力等一并受李积调遣。
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