四月十五日，李勣和李道宗率唐军主力从西、北两面进攻盖牟城。经过激战，李勣部率先攻入城中，俘获高丽 2 万余口，缴获粮饷10 余万石。此次的攻城得手使得唐军缴获了极多后勤粮草，这使得唐军几乎不必再从国内继续运送多少粮食，使得本来就不繁重的唐军后勤负担进一步的减轻，也使得唐军在辽东有了一个据点。我们从打下盖牟城后的缴获也能看出高丽人对于依托要塞，长期据守的战略思想是多么的根深蒂固，之前已经讲到，当时一个成年男子一年能够消耗的粮食平均是7石，10万石的粮食几乎够城中的军民整整一年的消耗，而中原军队想要在辽东的环境下做到长期围城显然极其艰巨，高丽人在经过了长期的经营之后，在这个方面显然进行了非常周全的准备。

接着，李勣又麾军南下，向辽东城进发。这时，唐平壤道行军大总管张亮所率水军从东莱（今山东莱州）渡海，袭击卑沙城。该城依山而建，四面险峻，唯西门可以攀登。唐军前锋程名振引兵深夜抵达城下，副总管王文度身先士卒，率兵冒死登城。五月二日，攻拔其城，俘城内男女 8000 余口。大总管张亮又分遣总管丘孝忠等耀兵于鸭禄水，骚扰高丽都城平壤以北的最后一道防线。

贞观十九年五月初，李勣和道宗率前锋部队 4000余骑抵达辽东城下。五月初八，盖苏文派步骑 4 万援助辽东守军。这时，唐军诸将都觉得敌众我寡，因此，主张深沟高垒，等主力部队全部集结以后，再行出击。唯副总管李道宗认为应乘敌军援兵“远来疲顿”之时，主动迎战，“击之必败”。李勣表示赞同，此时部将果毅都尉马文举也主动请战，面对十倍之敌，阵前豪气干云，长喝道：“不遇劲敌，何以显壮士！”策马向敌阵冲击，所向披靡。由此两军于辽东城下大战。高丽军遭到马文举突击之后组织力量拼命反击，行军总管张君乂部遇到高丽优势兵力的反击，抵挡不住，向后退却，唐军局势上陷入不利。李道宗见到张君乂部陷入混乱，立刻亲自前往指挥，在收集散卒之后，策马登高远望，看到高丽军阵已经被马文举搅乱，于是率骁骑乘隙冲入，左右出入，势不可当，使得高丽军阵更为混乱。李勣率众与其后冲突，高丽军终于崩溃，被歼 1000 余人。五月十日，唐太宗亲率六军经北平（今河北卢龙）、辽泽（今辽宁北镇与辽中之间泽地）渡过辽水，此时太宗遇到的难题与隋炀帝是一模一样的，是时辽泽泥淖二百馀里，人马不可通，将作大匠阎立德布土作桥大军才勉强得过，此时的辽泽上面还浮有很多当年隋军将士的遗骨，太宗当时就命人将之收敛埋葬。渡过辽水之后太宗下令毁去桥梁，以此向士卒表示背水一战的决心。太宗留大军于马首山（今辽宁辽阳西南），自将数百骑驰至辽东城下，对李道宗慰劳赏赐，超拜马文举为中郎将，并奖励了有功将士，处斩了临阵退却的总管张君乂。

辽东城对于唐军是有特别的意义的，炀帝三征，均止步于辽东城，因此对于唐军来说辽东城是必须越过的一道坎。

击退了高丽援军以后，李勣当即指挥唐军将士“负土填堑”, 准备向辽东城发起进攻。唐太宗也在马上负土递送，于是，随从官员一起与将士负土致于城下。不几日，城下沟堑俱被填满。接着，李勣下令先用抛车攻城。该攻城抛车体积庞大，可将重达 300余斤的巨石抛出一里之外，所至皆摧，高丽守军十分惧怕。为了防御巨石袭击，守军用巨木在城上建筑遮挡的战楼并用粗大的绳索结网企图拦截飞石，但仍被抛车所发巨石击溃。随后唐军又用撞车清除辽东主城左近的副楼，无不倾倒。就这样，唐军接连攻城 20多天，昼夜不息。李勣与张俭等，率领骁锐与契丹等少数民族兵一起，攻辽东城南。李道宗和张士贵等，攻辽东城西，李宏基等率兵填其濠堑，唐太宗亦率所统六军相助，将辽东城包围数十百重，水泄不通，鼓噪之声，震天动地。五月十七日，南风劲吹，唐太宗以火弩齐射，点燃了西南城楼，大火燃及城中住宅，火光冲天，接着下令精锐士卒登上冲竿之顶，一举登上城墙。高丽守军举大盾以短兵反冲击，企图夺回城墙，唐军以长矛列阵下击，后面的唐军在城墙上以擂石奋力下砸，高丽军终于抵挡不住，被歼 1 万余人，俘虏高丽军1万余人，俘获城中男女4万余口，获得粮食50万石。唐太宗遂以辽东城置辽州，并举烽火入塞，向太子所居定州通告捷报。