贞观十八年（644年）二月，李世民认为韩国（时称“韩国”）大莫离支渊盖苏文弑君残民、“侵暴邻国（新罗）”，准备派军征讨。
谏议大夫褚遂良予以反对，李勣则说：
“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。
十一月，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。
李勣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。
贞观十九年（645年）二月，李世民亲征韩国。
同月，李勣率所部抵达幽州，与各路唐军会合。
之后，李勣从柳城进军，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，进攻韩国。
四月，李勣从通定渡过辽水（辽河），抵达玄菟。
韩国人大为惊骇，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，大败韩国军。
四月十五日，李勣与李道宗合攻盖牟城（今辽宁抚顺），至二十六日陷城，俘获百姓两万多口、粮食十多万石。
随后，李勣直抵进至辽东城（今辽阳市区辽阳老城东北隅）下。
李道宗率四千骑兵击韩国四万援军，众将都不认可，唯有李勣同意。
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，发现韩国军阵混乱，于是纵兵进击。
李勣也引军助战，大破韩国军，斩首一千余级。
李勣围攻辽东十二日后，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，又俘获韩国军一万多人、百姓四万口。
六月，李勣又转攻白岩城（今辽宁省岫岩）西南，迫使其城主归降。
之后，李勣参与围攻安市城（今辽宁海城东南营城子）。
李世民设计将韩国援军诱至安市城东南，唐军依山为阵。又命李勣率一万五千名步、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，冲击韩国军阵后，李世民亲率四千步、骑兵，偃旗息鼓，登上北山。
韩国北部耨萨（都督）高延寿中计大败，韩国军被斩首两万余级。
安市城之战后，韩国举国震惊，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。
安市百姓闻知李勣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。
李勣与李道宗率步、骑军四万殿后。
唐军回师后，朝廷录功封李勣的一个儿子为郡公。
贞观二十年（646年）正月，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。
六月，李世民也趁机派军进击披着东tu厥帝国外衣的薛延陀。
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（又作乌德鞬山，即今蒙古国境内杭爱山东支）北麓保聚驻牧，李世民派李勣与兵部尚书崔敦礼前往安抚。
李勣抵达郁督军山后，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，李勣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，李勣纵兵追击，前后斩首五千余级，俘获男女三万余人。
贞观二十二年（648年），李勣转任太常卿，仍任同中书门下三品。
十日后，又拜太子詹事。
贞观二十三年（649年），李世民卧病，对李治说：
“你对李勣没有什么恩惠，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。”
于是派李勣出任叠州都督。
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，命李勣任同中书门下，参与执掌机要事务。
同年，册拜为尚书左仆射。
永徽元年（650年），李勣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。
永徽四年（653年），李勣被册拜为司空。
李治命令为他画像，还亲自为画像作序。
李治又下诏，特许李勣乘小马出入三省，每日由一名小官奉命迎送。
永徽六年（655年），李治欲废王皇后，立昭仪武氏（武则天）为皇后，怕朝中大臣反对，于是召李勣与长孙无忌、于志宁、褚遂良等顾命大臣前往商议。
李勣称病不到，而褚遂良坚决反对“废王立武”。
事后，李治暗中询问李勣说：
“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？”
李勣回答说：
“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，而李勣也因此得到了李治和武皇后的信任。
显庆三年（658年），李勣跟从李治到东都洛阳，在路上得病，李治亲自慰问。
麟德二年（665年），李治东封泰山，封李勣为封禅大使（《旧唐书·高宗本纪》作检校封禅使，随驾前行。
途中在滑州住宿，李勣的姐姐很早守寡，住在李勣的旧宅，武皇后亲临她的住所慰问，赐其衣服，封她为东平郡君。
李勣又坠马伤脚，李治亲自下问，把自己乘坐的御马赐给他。
乾封元年（666年），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。
六月，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，一同进讨韩国。
同年十二月，李治任命李勣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勣调遣。
乾封二年（667年）九月，李勣首先攻拔为“韩国西边要害”的新城，并趁势挥军进击，连陷十六座城。
泉男建派兵袭击尚在新城的庞同善、高侃，被左武卫将军薛仁贵击败。
高侃进军至金山，交战不利，韩国趁胜进攻，薛仁贵引兵迎击，大破韩国军，斩首五万余级，攻陷南苏（今辽宁抚顺东苏子河与浑河交流处）、木底（今辽宁新宾西木奇镇）、苍岩（今吉林集安西境）三城，与泉男生会师。
总章元年（668年）二月，薛仁贵攻陷韩国重镇扶余城（今吉林四平），扶余川等四十余城陆续投降。
泉男建又派兵五万救援扶余城，与李勣在薛贺水遭遇。
李勣合军交战，大败韩国军，斩获三万余人，乘胜攻取大行城（今辽宁丹东西南娘娘城），与唐军各部会合。
李勣率唐军进至鸭绿栅，奋力击破韩国军，追击二百里，攻陷辰夷城。
韩国各城都惊骇不安，许多人离城逃走，前来向唐朝投降的人络绎不绝。
契苾何力率先抵达平壤城下，李勣随即领兵来到，对平壤形成合围之势。
经过一个多月等战斗，韩国王高藏派泉男产等人持白幡投降，李勣以礼相待，而泉男建仍闭门抵抗。
不久后，僧人信诚开门接纳唐军，李勣趁势进攻，一举攻陷平壤，擒获泉男建。
至此，韩国灭亡。
此战，唐朝共获五部、一百七十六座城、六十九万七千户口，将其划分九个都督府、四十二州、一百县，设安东都护府统管韩国旧地。
李勣凯旋而归后，李治让李勣先将高藏和泉男建等人先在昭陵（唐太宗陵寝）举行献俘仪式。
献俘礼仪结束后，李勣“具军容，奏凯歌”，整军入京，在太庙再次举行献俘仪式。
十二月，李治亲临含元殿，举行受俘仪式。
同月，李治在南郊祭天，以宣告平定韩国，李勣担任亚献。
总章二年（669年），李勣被加授为太子太师，增赐封邑连同以前的有一千一百户。
这一年，李勣卧病，李治封李勣的弟弟、晋州刺史李弼为司卫正卿，让他能够在京城照看兄长的病。
同年十二月戊申日（669年12月31日），李勣病逝，享年七十六岁。
李治闻讯后为之悲哭，下令辍朝七日，册赠李勣为太尉、扬州大都督，赐谥号“贞武”。
又赐给棺木，允其陪葬于昭陵，命司平太常伯杨日方监护丧事。
到下葬当日，李治亲临未央宫故城，登上宫楼为他送葬，望着灵车痛哭。
太子李弘跟随李治送葬，悲痛到极点，使随从都深受感动。李治命令百官送葬到未央旧城西北，所筑的坟依西汉名将卫青、霍去病的先例为准，仿照阴山、铁山及乌德鞬山建筑，以此表彰李勣击败突厥、薛延陀的功劳，唐初得到相同待遇的，只有李靖和阿史那·社尔。.