唐軍一路突飛猛進。勇將契苾何力更是一馬當先，殺到平壤城下。
平壤之戰，成為高麗戰爭中的最後一役。
在契苾何力之後，李世勣統率的諸路大軍，也紛紛抵達平壤城下，開始實施圍攻戰。
平壤作為高麗的都城，依險而建，固若金湯，此前蘇定方曾圍攻平壤達數月之久，最後無功而返，其防禦之堅強，由是可見。隻是如今情況不同昔日，遼東失落，半島上的其他城池也紛紛投降，平壤已是孤城。
圍攻戰持續了一個多月，高麗國王高藏沉不住氣了。雖說高藏是高麗之主，但實權卻一直把握在泉蓋家族手中，他這個國王也當得很窩囊。眼看都城不保，高藏心想，還是投降算了，便派出文武官員共計九十八人，手持白幡，到李世勣兵營中請降。李世勣以禮相待，接受國王的請降。
執政官泉蓋男建得知這個消息後，大怒，下令緊閉城門，拒絕投降。
正所謂困獸猶鬥，泉蓋男建多次派兵出城作戰，企圖打破唐軍的包圍，但每次都無功而返。此時泉蓋男建最信任的人，是大和尚信誠，他將首都防衛的重任交給信誠。但是沒想到信誠既不信，也不誠，竟然偷偷地派人與李世勣取得聯係，自告奮勇充當唐軍的內應。
五天之後，信誠按照原定的計劃，偷偷地打開城門。李世勣馬上派出精銳部隊進城，登上城樓，搖旗呐喊，擂鼓敲鑼，在城四周縱火。一時間，平壤城內大亂，泉蓋男建見唐軍入城，知道大勢已去，他歎了一口氣，拔出佩刀，往肚子上就是一刀。雖說是敗兵之將，其勇氣仍令人欽佩，不失為一條好漢。
當唐軍趕到時，發現了奄奄一息的泉蓋男建倒在血泊之中，還尚有一口氣，馬上實施救治，好歹保住一條性命。平壤城的陷落，宣告了這個立國七百餘年的古高麗國滅亡。
在對高麗戰俘的處置上，唐高宗仍然沿用一貫的原則，除了泉蓋男建被流放黔中之外，其餘自國王高藏以下的文武官員，都授予一定的官職。
高麗的國土並入唐帝國，設九個都督府，四十二個州，一百個縣，在平壤設立安東都護府。由剛剛升遷為右威衛大將軍的薛仁貴出任安東都護，率二萬人馬鎮撫都護府，都督、刺史、縣令的職位則由高麗舊將以及部分唐朝官員擔任。
高麗戰爭是唐初最艱難的戰爭之一，從貞觀十九年（645年）唐太宗東征至是年（668年），前後曆時二十三年之久。在唐軍幾乎無敵於天下之際，高麗得以同偉大的唐帝國對抗達二十餘年，其堅忍頑強的精神也足以令人刮目相看。
高麗之戰成為李世勣的封筆之戰，第二年（669年），這位偉大的統帥溘然長逝。
李世勣與李世民、李靖並列為大唐最偉大的名將。雖然他戰功卓著，但長期籠罩在李世民與李靖的陰影之下。在開國戰爭中，他是李世民的部將，在征伐北突厥時，他又受到李靖的節製，直到古稀之年征討高麗，李世勣方才是貨真價實的統帥。
李世勣去世後，唐高宗下令厚葬，並將其墳墓修築為陰山、鐵山、烏德犍山的形狀，以表彰他在擊破北突厥及薛延陀上的巨大功勳。這也表明在中國曆史上，來自北方的遊牧民族，始終被視為中原的最大威脅。
高麗戰爭的勝利，是唐朝軍事擴張的巔峰。
在此之後，唐朝的軍事力量便開始走向衰弱，其中的原因很多。前文中已分析過軍隊製度更張對士氣有影響，除此之外，連年征戰，使百姓的負擔極為沉重，厭戰情緒極為濃厚。朝廷征兵時，有錢的人家就用錢賄賂以免除兵役，貧困人家沒錢可賄賂，有些人幹脆以自殘或逃亡手段來逃避戰爭。這種情況在征高麗之時達到極點，以至於唐高宗下了一條殘酷的敕令：“征遼軍士逃亡，限內不首及首而更逃者，身斬，妻子籍沒。”由是可見當時反戰情緒到了什麼樣的地步。
大唐軍事下滑的另外一個原因，是遇到了最強硬的對手，就是青藏高原上的吐蕃。在高麗戰爭結束後兩年，即 670年，唐軍在與吐蕃的大非川戰役中遭到空前的慘敗，使得大唐的軍事重點轉向西麵，東部的高麗反抗勢力則乘機興起。
鹹亨元年（670年），高麗舊將劍牟岑乘機起兵，擁戴高藏的外孫安舜為首領。唐朝廷派高侃為東州道行軍總管，率兵鎮壓叛亂，並於次年（671年）在安市城擊敗劍牟岑的叛軍，反抗武裝退入白水山。
高侃一路追擊，在白水山再度大破劍牟岑。與此同時，高麗叛軍內部並不團結，被推戴為首領的安舜顯然不願意成為劍牟岑的傀儡，最終引發內訌，安舜殺死了劍牟岑。經過唐軍打擊與內亂後的高麗已經元氣大傷，眼看很快將被唐軍撲滅。然而在這個時候，卻出現令人意想不到的事情。