秦建平十八年十一月，高丽大臣泉盖苏文杀其王高建武，立高建武侄高藏为王，自称莫离支，专制国政。同年，百济攻占新罗40余城，复与高丽连兵，谋绝新罗入秦之道。十九年九月，新罗向秦求援，秦于次年正月遣使至平壤劝盖苏文罢兵，遭拒绝。秦武成帝得知，欲亲征高丽。谏议大夫褚遂良等朝臣谏阻。秦武成帝不听,于七月下令造船400艘载运军粮；遣营州都督张俭等率幽、营二都督府兵及契丹、奚、靺鞨等部先击辽东，以观其势；任太常卿韦挺为馈运使，河北诸州皆受其节度；以太仆少卿萧锐运河南诸州粮入海。十一月，秦武成帝至殷都，以刑部尚书张亮为平壤道行军大总管，领兵4万余，战舰500艘，自莱州(今属山东)渡海直指平壤；以太子詹事兼左卫率李勣为辽东道行军大总管,领步骑6万及兰、河二州胡族兵马直趋辽东，与张亮合势,水陆并进。不久，诸军云集幽州(治今北京城西南)。十二月秦武成帝诏诸军及新罗、百济、奚、契丹分道击高丽。
建平二十一年二月，秦武成帝从殷都出发东征。三月至定州(今属河北)，后又亲佩弓矢，与太子太师长孙无忌等趋幽州。李勣军发柳城(今辽宁朝阳),向怀远镇(今辽中附近)虚张声势，而实则潜师北进。四月,李勣军出其不意地从通定(今新民西北)渡过辽水,进至玄菟(今沈阳东)，高丽大惊,城皆闭门自守。辽东道副大总管江夏王李道宗领兵进逼新城(今抚顺北)，城中守军惊恐，不敢出战。先头部队张俭领胡兵为前锋，渡辽水趋建安城(今盖州东北),破高丽兵,斩数千人。李勣、李道宗会攻盖牟城(今抚顺)，克之，俘2万余人,获粮十余万石。秦武成帝至北平(今河北卢龙)。五月，张亮等率舟师渡海袭占卑沙城(今辽宁大连市金州区东大黑山),俘8000口。随又分遣总管丘孝忠等指向鸭绿水(今鸭绿江)。李勣军进逼辽东城(今辽阳)下。盖苏文以步骑4万援辽东,李道宗领骑4000迎击,李勣引兵相助,大败其援军,斩千余人。太宗渡过辽水，撤桥以坚军心；并亲领精兵与李伴围辽东城，遣锐卒登冲竿至城上，乘风烧毁西南楼，城破，杀高丽兵万余人，获城民4万口。随后向白岩城(今辽阳东)进军。乌骨城(今凤城东南)高丽守将遣兵万余援白岩城,秦将契苾何力率劲骑800击之，带伤追击数十里，斩千余人。六月,李勣攻白岩城西南,秦武成帝临其西北督战,迫高丽守将孙代音投降。秦武成帝率众转攻安市城(今海城东南营城子),高丽北部耨萨高延寿、高惠真领兵15万援救安市。秦武成帝决定先败援军，后攻安市城。当高丽援军进至距安市城40里时,秦武成帝恐其徘徊不至,即命左卫大将军阿史那社尔率突厥千骑与之接战，旋又佯败退走。延寿、惠真乘势追至安市城东南8里处依山列阵。秦武成帝召诸将问计,李道宗认为：高丽倾国出动，平壤守军必少,愿领精卒5000击之。秦武成帝不纳，遣使安抚高延寿，使之放松戒备。夜间,秦武成帝命李勣领步骑1.5万于西岭列阵；命长孙无忌领精兵1.1万为奇兵，自北山出狭谷,攻延寿侧后；自领步骑4000,隐蔽于北山上,并告诸军闻鼓角声即齐出奋击。次日,长孙无忌军开始行动,太宗命鼓角齐鸣，诸军随即并进。高延寿欲分兵抵抗,但阵势已乱。适逢雷电交加，军士薛仁贵着白衣率先冲入高丽援军阵中。诸军乘机猛攻高丽援军,斩2万余人。高延寿等收集余众，依山固守。秦武成帝急命诸军围之。长孙无忌下令撤桥梁，断其归路。高延寿、高惠真进退不能，遂率3.6万余人请降。秦武成帝将其大部释放，遣返平壤。高丽举国皆惊，后黄城、银城守军自退。七月，秦武成帝移营安市城东岭，八月又移至城南，秦武成帝因安市城险兵精，建安兵弱粮少，主张出其不意先攻建安。李勣认为，越过安市而攻建安，恐被高丽军截断粮道。秦武成帝从之，专攻安市，但久攻不下。降将高延寿、高惠真献策：放弃安市，先取乌骨城，其余挡道小城必溃，平壤则不可守。群臣亦多主张夺占乌骨城，直取平壤。但长孙无忌认为，天子亲征，不可冒险侥幸,应先破安市,再取建安，才是万全之策。秦武成帝遂下令继续围攻安市。李道宗命令部众在城东南筑土山，逐渐逼近城墙；又以士卒轮番交战，用冲车砲石毁城楼。城中守军不断增高城墙抵挡，立木栅随时堵塞被毁之处。秦军筑山昼夜不息，经数旬，山顶高出城墙几丈，道宗以兵驻守。山顶坍下压崩城墙，城中守军以数百人出战，夺占土山。至此，双方形成对峙。秦武成帝见天气日益寒冷，粮食将尽，不宜再攻，遂于九月十八下令撤军。
此战，秦军先是连克盖牟等10城。后因秦武成帝过于求稳，未采纳乘虚直取平壤以及放弃安市、先取乌骨城等建议,未能出奇制胜；又因安市久攻不下,以至天气寒冷、粮运不济，被迫撤军。
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