二月十七日，为确保东征期间朝政稳定、国政不辍，唐太宗下诏，命皇太子李治留守定州，代行处理全国政务，辅佐李治熟悉朝政运转，同时安排朝中老成重臣留守辅佐，彻底解决御驾亲征的后顾之忧，稳固大唐后方根基。

四月初六，唐太宗抵达幽州，召集水陆两路全军将士，举行隆重的誓师大会。祭告天地、宣读高句丽罪状、申明唐军军纪，随后大肆犒赏全军将士，鼓舞三军士气。数万将士群情激昂，斗志昂扬，誓要平定高句丽、安定东北边境，随后各路大军分头向高句丽境内挺进。

四月二十六日，辽东道行军大总管李勣率领陆路大军率先传来捷报，历经激战，成功攻克高句丽军事重镇盖牟城（今辽宁抚顺），打通了唐军向辽东腹地进军的通道，缴获大量粮草、军械，充实了唐军军需。

五月初二，平壤道行军总管程名振率领水军先锋，猛攻高句丽沙卑城（今辽宁金县东），凭借水军精锐战力，一举破城，扫清了唐军海路进军平壤的前沿障碍。此时，唐太宗亲自统领大军，赶赴辽东前线，坐镇军中督战，全军将士士气大振，对高句丽各城池发起猛烈攻势。

五月十七日，在唐太宗亲自督战下，唐军水陆配合、猛攻多日，最终攻克高句丽战略要地辽东城。此城是高句丽镇守辽东的核心城池，城高池深、防守坚固，唐军攻克此地，重创高句丽主力，极大震慑了高句丽朝野。

六月初一，唐军乘胜追击，顺利攻克白岩城，辽东多地接连被唐军收复，东征局势一片大好。

六月二十三日，唐军进抵安市城，在安市城东南山地与高句丽主力大军展开决战，此战异常惨烈，唐军奋勇冲杀，大败高句丽军队，歼灭大量敌军，但左武卫将军王君愕在阵前冲锋、奋勇杀敌时，不幸壮烈殉国，成为此次东征牺牲的最高级别将领。

然而安市城地势险要、城防极为坚固，高句丽守军死守不降，凭借有利地形顽强抵抗，唐军多次猛攻，均未能破城。战事陷入僵持之际，辽东地区天气骤然转冷，寒风凛冽，粮草补给也日渐耗尽，士兵水土不服、冻伤渐多，再战下去恐遭全军覆没之险。唐太宗审时度势，不忍将士白白牺牲，最终忍痛下令全军班师回朝，结束此次东征高句丽之役。

十月十一日，唐军凯旋回军途中，驻扎在营州，唐太宗悲痛不已，下令用牛羊猪三牲，隆重祭奠在东征战事中为国牺牲的将士，亲自祭拜，追封殉国将士功绩，抚慰阵亡将士家属，告慰忠魂。

十月二十三日，大军行至汉武台，唐太宗命人在此刻立石碑，亲自撰文，记述此次东征高句丽的战事始末、将士功勋，铭记为国捐躯的英烈，彰显大唐国威。

十一月初九，大军返回幽州，唐太宗再次下令，大肆犒劳全军将士，论功行赏，安抚历经战事的三军将士，圆满结束此次亲征征程。

东北战事刚歇，北方边境再起战事，十二月二十五日，薛延陀部落趁大唐东征之际，派兵大举侵犯夏州，妄图侵扰大唐北方边境。左领军大将军执失思力率军迎战，凭借娴熟的骑兵战术与丰富的作战经验，一举大败薛延陀军队，斩杀、俘获大量敌军，彻底击退薛延陀的进犯，稳固了大唐北方边境。