同年9月，薛仁貴統兵出征。12月，命李績為遼東道行軍大總管，司列少常伯郝處俊為副大總管，契苾何力、龐同善亦為副大總管並兼安撫大使，水陸諸軍總管和運糧使竇義積、獨孤卿雲、郭待封等亦受李績節度，諸路合擊高句麗。征調河北諸州縣的全部租賦以供遼東軍用。乾封二年（667），李績兵取高句麗軍事重鎮新城（今遼寧撫順北高爾山城）。留契苾何力鎮守，並趁勢將附近的16座城池全部攻下。
新城是一座戰略極其重要的城市，是整個戰場的軍事血脈的樞紐，地位不言而喻，而且李績自己也說了“新城，高句麗西邊要害，不先得之，餘城未易取也。”而李績卻疏忽了對剛打下來的新城的防守，往往這樣就會出事故，果然剛過幾天，高句麗總頭領之一泉男建率大軍夜襲二人的軍營，新城告急。關鍵時刻，薛仁貴率軍狂奔而到，神降天兵，突然殺到，把處於劣勢的形式瞬間扭轉過來，倒過來斬殺敵人數百人，解救了新城之圍。
同年10月 ，龐同善繼續進攻，在金山路上遇到高句麗大軍10多萬人，被打的落荒回逃，高句麗軍追的興起，薛仁貴率本部兵馬衝殺出來，將敵人大軍攔腰截斷，敵軍大亂，薛仁貴領兵奮力殺敵，此戰殺的昏天暗地，敵人數不剩數，最後薛仁貴大敗高句麗軍，斬首五萬人。（注意啊，斬首多少人並不是敵人的總兵力，而指的隻是斬殺的人數，並沒有算逃跑等的人數）唐軍乘勝攻占南蘇（今遼寧撫順東蘇子河與渾河交流處）、木底（今遼寧新賓西木奇鎮）、蒼岩（今吉林集安西境）3城，與泉男生部會合，贏得了金山之戰的勝利。高宗親筆寫詔書慰勞仁貴：“金山大陣，凶黨實繁。卿身先士卒，奮不顧命，左衝右擊，所向無敵，諸軍賈勇，致斯克捷。宜善建功業，全此令名也。”金山之戰是唐初年的罕見的大規模遭遇戰，是滅高句麗四大戰役最關鍵，最大的一次戰役，基本消滅高句麗精銳部隊，為徹底勝利奠定基礎，此戰由薛仁貴親自指揮，功不可沒。
同年的11月下旬，薛仁貴僅帶2000人的兵馬向前進軍，發兵扶餘城（今吉林四平），有的將領大力反對，認為人實在太少了，搞砸了不好收場但是薛仁貴說：“兵不在多，顧用之何如。”不在多少，就看你主將會不會用，曆史上能說出這樣“大話”的將軍也沒有幾個。兵貴神速，接著一場人類戰爭奇跡又出現了。高句麗派出數萬大軍快速出兵新城，想奪回主動權，這正好就應了薛仁貴的道了。當敵人行軍的時候根本無法想象唐軍居然會那麼快就打過來。時逢冬天，東北大地，白雪藹藹，薛仁貴2000玄甲騎兵全部著白衣。當他們發現敵人的時候，薛仁貴當機立斷，利用騎兵平原優勢，衝殺敵人。於是在白色的雪域平原上，正在行軍的高句麗兵看見一大團白色飛衝而來，還以為是雪崩呢。薛仁貴指揮殺敵，用了7個時辰，不到15個小時的時間斬殺俘虜敵人萬餘，剩餘軍隊四散潰逃，這次戰役也要看出唐玄甲軍的戰鬥力恐怖之處，據考證這是最早利用保護色的戰役。
接著薛仁貴率領2000將士繼續前進，乾封三年（668），薛仁貴的部隊攻占堅固的扶餘城。之後高句麗連續40多座城市直接向薛仁貴投降，薛仁貴聲名鵲起，威震遼海，神威四方，自此，高句麗所最懼怕之人為薛仁貴。
就這樣薛仁貴大軍沿途破城抵達平壤城下，與從行軍大總管李績等諸路大軍會師平壤，大軍合圍，攻破平壤，薛仁貴親自接受高句麗國王投降，根據史料記載，高句麗國王高藏在向薛仁貴投降簽字的時候，連抬頭看薛仁貴的勇氣都沒有，威懾力到了何種地步。真有張遼使江東小孩夜不敢哭的風采。自此，隋唐幾代帝王滅亡高句麗的願望終於在高宗這裏得到了實現。如果仔細研讀過這段史料的話，大家會很清楚，高句麗實為薛仁貴所滅，他起了關鍵和決定性的作用，而並非是李績。