李勣已是76岁的老将，他也决定在有生之年为国立最后一功。他率部直抵高丽之新城，此城乃高丽西部重要举事据点。他命军队登上城厢高山，俯瞰发箭，城守军官惧怕，开城投降。随后催军急进，连下高丽十六城。薛仁贵在这些城镇的攻占中尤为骁勇，战功卓著。
总章元年(668年)二月，薛仁贵仅率三千人马进攻扶余城，与该城守军万余人大战，一战大大捷，周围四十余城闻薛仁贵之名，尽开城请降。
李勣闻之，派随军侍御史贾言贵向京告捷。武后和高宗问战事情况，要言忠说:“高丽必平。”问曰:“卿何以知之?”对曰:“隋炀帝乐征而不克者，人心离怒也。先帝东征而不克者，高丽未有衅也。”还说，如今国家富强，陛下圣明，将帅尽力，高丽内乱，所以克高丽的日子不会长了。武后和高宗问军中诸将的情况，对曰:“薛仁贵勇冠三军;庞同善虽不善斗，而将军严整;高侃勤俭自处，忠果有谋;契苾何力沈毅能断虽顾忌前，而有统御之才;然夙夜小心，忘身忧国，皆莫及李勣也。”高宗和武后听了，深信其言。从贾言忠的分析，可以看到武后、高宗知人善任，对将领的调度甚为得当，这是当时取得军事胜利的关键。
扶余等城下，李勣挥诸军包围平壤。月余，敌军无力再战，遂开城投降。
总章元年十月，唐军胜利回长安。十二月，高宗、武后在龙首山的含元殿举行了受降仪式，赦免了高丽王高藏等君臣，并封授了唐官。高丽五部、六十九万户，分置九个都督府、四十二州、一百个县，以安东都护府统辖。
第二年十二月，老将李勣病故，享年79岁。临终前他说:“我十余岁作贼，是逢人必杀的无赖贼;十四五岁是难当贼，不高兴就杀人;十七八岁是佳贼，临阵才杀人;二十岁是大将军，用兵救人不死。”