Lấy cớ là Uyên Cái Tô Văn chuyên quyền, giết vua mưu chuyện phế lập, Đường Thái Tông bắt đầu huy động binh mã, chuẩn bị cho cuộc chiến sắp tới. Tháng 4 năm 645, Lý Thế Tích cầm đầu 6 vạn quân Đường chính quy cùng một vài lực lượng binh mã (của các dân tộc không rõ), tập hợp tại U Châu (khu vực quanh Bắc Kinh ngày nay), rồi khởi binh xuất chinh.[10][33] Bản thân Đường Thái Tông cũng đích thân chỉ huy 1 vạn quân thiết kỵ, dự kiến khởi hành sau và sẽ hội binh với lộ quân của Lý Thế Tích. Ngoài ra, một hạm đội gồm 500 tàu sẽ chuyên chở 4 vạn quân mới tuyển và 3.000 quân tinh nhuệ (từ Lạc Dương và Trường An) từ bán đảo Liêu Đông đi dọc theo đường biển để tới bán đảo Triều Tiên, bổ sung binh lực khi đạo quân chính của nhà Đường tiến vào bán đảo Triều Tiên.[10]

Lý Thế Tích tiến vào lãnh thổ Cao Câu Ly vào ngày 1 tháng 5 sau khi vượt qua sông Liêu Hà. Do thiếu sự chuẩn bị trước, quân Cao Câu Ly bất ngờ khi thấy quân Đường xuất hiện.[33] Ngày 16 tháng đó, quân Đường vây thành Cái Mưu (Kaemo, nay là Phủ Thuận, Liêu Ninh). Chỉ sau 11 ngày, quân Đường hạ được thành, bắt 2 vạn người, thu 10 vạn thạch lương (tương đương 6 triệu lít thóc).[33] Lý Thế Tích tiếp tục tiến quân tới vây hãm thành Liêu Đông (nay là Liêu Dương, Liêu Ninh), đánh bại 4 vạn quân Cao Câu Ly tiếp viện ngay bên ngoài thành.[33] Vài ngày sau đó, 1 vạn quân thiết kỵ dưới sự chỉ huy của Đường Thái Tông cuối cùng cũng tới nơi. Không lâu sau, vào ngày 16 tháng 6, quân Đường lợi dụng gió nam, bắn đạn cháy vào thành, gây hỏa hoạn lớn và nhanh chóng công hạ thành Liêu Đông.[33][34] Quân Cao Câu Ly tổn thất 1 vạn người, hàng vạn lính cùng 4 vạn dân trở thành tù binh, quân Đường thu được 50 vạn thạch lương.[35]

Ngày 27 tháng 6, quân Đường đến ngoài thành Bạch Nham (Baekam).[33] Trong lúc vây hãm, chỉ huy cánh phải quân Đường là Khả Hãn A Sử Na Tư Ma của Hãn quốc Đông Đột Quyết, lúc này là chư hầu của nhà Đường, bị trúng tên. Tương truyền, Đường Thái Tông đích thân hút máu từ vết thương của A Sử Na Tư Ma rồi tự mình băng bó lại cẩn thận để khích lệ tướng sĩ.[36] Ngày 2 tháng 7, biết khó giữ được thành, tướng giữ thành Tôn Đại Âm của Cao Câu Ly dâng thành đầu hàng.[33] Đường Thái Tông ra lệnh cho binh lính không được đụng chạm tới bất kỳ thứ gì của dân[33] và phong cho Tôn Đại Âm làm thứ sử Nham Châu.[35]

Quân Đường đến bên ngoài thành An Thị vào ngày 18 tháng 7.[33] Đường Thái Tông nhận được tin cấp báo rằng một đội quân cứu viện gồm 150.000 người[37] cả Cao Câu Ly lẫn Mạt Hạt đang ở gần đó.[33] Thái Tông hạ lệnh cho Lý Thế Tích dẫn 15 nghìn kỵ binh tới khiêu khích và nhử quân Cao Câu Ly vào bẫy, còn Trưởng Tôn Vô Kỵ cùng một số tướng lĩnh khác thì dẫn một cánh quân đi vòng ra phía sau để đánh tập hậu.[33] 2 ngày sau, quân Đường đại phá quân Cao Câu Ly.[37] Tàn quân Cao Câu Ly chạy đến một ngọn đồi gần đó cố thủ, nhưng sau một ngày thì toàn bộ đầu hàng.[33] Kết quả, quân Đường bắt được tổng cộng 36.800 người.[33] Trong số người này, 3.500 sĩ quan và tù trưởng các bộ lạc bị bắt đưa về Trung Quốc, 3.300 người Mạt Hạt bị hạ lệnh xử tử nhưng số binh sĩ người Cao Câu Ly còn lại đều được thả.[33]

Tuy thắng lợi trên chiến trận, nhưng quân Đường vẫn không tài nào phá được thành An Thị,[34][38][39] vốn đang được Dương Vạn Xuân với vỏn vẹn 5.000 quân trấn giữ. Quân Đường tổ chức tấn công vào thành tới 6 đến 7 lần trong ngày, nhưng lần nào cũng bị đẩy lui.[9] Sau nhiều tuần trôi qua, Đường Thái Tông đã nghĩ tới việc bỏ thành An Thị để tiến sâu vào nội địa Triều Tiên. Nhưng vì sợ rằng An Thị có thể sẽ là một mối nguy sau lưng, ông tiếp tục vây hãm, quyết chiếm cho bằng được tòa thành.[39] Đường Thái Tông đặt cược mọi thứ ông có khi hạ lệnh cho quân sĩ lấy đất đắp thành một ụ đất khổng lồ, nhưng ụ đất này bị quân giữ thành chiếm được, và bảo vệ thành công ba ngày dù quân Đường tấn công dữ dội.[40]

Sau gần 3 tháng, 5.000 quân Cao Câu Ly vẫn kiên trì phòng thủ, quân Đường không hạ nổi thành. Tình hình thời tiết cũng ngày một xấu đi và mùa đông sắp đến, Đường Thái Tông đành phải hạ lệnh rút quân vào ngày 13 tháng 10,[40] và để lại một món quà xa hoa cho viên chỉ huy của thành An Thị.[34] Hành trình rút quân của Đường Thái Tông đầy gian nan, khó khăn và đã lấy đi tính mạng của rất nhiều binh sĩ.[40]