Vào mùa hè năm 620, Đậu Kiến Đức bao vây La Nghệ (nay được triều Đường ban cho họ Lý của hoàng tộc) ở U châu. Lý Nghệ cầu viện Cao Khai Đạo, Cao đích thân dẫn 2.000 kị binh đến cứu viện Lý Nghệ, buộc Đậu Kiến Đức phải triệt thoái. Sau đó, Cao Khai Đạo quyết định thông qua Lý Nghệ hàng Đường. Vào mùa đông năm 620, Đường Cao Tổ ban họ Lý cho Cao Khai Đạo, phong tước Bắc Bình quận vương, phong chức tổng quản của Uý châu (蔚州, nay gần tương ứng với Trương Gia Khẩu).

Trong khoảng thời gian này, tính kiên nhẫn cương nghị và tàn ác của Cao Khai Đạo đã bộc lộ, đó là khi một mũi tên chọc vào mặt ông. Khi ông yêu cầu y sư phẫu thuật để lấy nó ra, y sư nói rằng mũi tên đâm quá sâu nên không thể lấy ra được, Cao Khai Đạo do tức giận nên đã xử tử y sư. Sau đó, ông hỏi một y sư khác, người này nói rằng có thể lấy nó ra song sẽ rất đau đớn, Cao Khai Đạo tiếp tục xử tử người này. Đến khi Cao Khai Đảo hỏi một vị y sư thứ ba, người này trả lời rằng "không có vấn đề gì". Y sư sau đó bắt đầu dùng thủ thuật trên khuôn mặt Cao Khai Đạo, khoét vào xương và tách nó ra để lấy đầu mũi tên. Người ta nói rằng trong quá trình phẫu thuật, Cao Khai Đạo vẫn tiếp tục yến tiệc, thưởng ca vũ và tỏ ra vui sướng.

Vào mùa đông năm 621, U châu của Lý Nghệ rơi vào nạn đói, Cao Khai Đạo đồng ý cung cấp lương thực cho U châu. Khi Lý Nghệ phái những người già yếu đến Úy châu để tránh nạn đói, Cao Khai Đạo đã đối đãi tốt với họ. Lý Nghệ hài lòng, và đã phái 300 lính với hàng trăm cỗ xe và trên 1.000 ngựa và lừa đến Uý châu vận chuyển lương thực. Tuy nhiên, Cao Khai Đạo đã quay sang chống Lý Nghệ và đã giữ tất cả lại, từ bỏ quan hệ với Lý Nghệ và triều Đường.

Cao Khai Đạo liên kết với Đông Đột Quyết ở phía bắc và Lưu Hắc Thát ở phía nam. Ông tiến công Dịch châu (易州, một phần của Bảo Định, Hà Bắc hiện nay), song không thể chiếm được. Tuy nhiên, ông tiến hành cướp phá các châu nằm dưới quyền kiểm soát của Lý Nghệ và các tướng Đường khác. Vào mùa xuân năm 623, ông hợp quân với Hiệt Lợi khả hãn của Đông Đột Quyết và bộ tướng Uyển Quân Chương (苑君璋) của Định Dương khả hãn Lưu Vũ Chu, tiến công Nhạn Môn quan (雁門, nay thuộc Hãn Châu, Sơn Tây) của triều Đường song không thể chiếm được. Ông tiếp tục tấn công các châu của Đường trong nhiều năm, thường liên kết với Đột Quyết và Khố Mặc Hề. Năm 623, ông đã bang trợ Hiệt Lợi khả hãn đoạt lấy quận Mã Ấp (馬邑, nay thuộc Sóc Châu, Sơn Tây), song ngay sau đó Hiệt Lợi khả hãn đã trả Mã Ấp cho Đường.