初禄二十三年（645年)七月，辛未（初五），顺武帝将营帐迁到安市城东岭。己卯（十三日），顺武帝诏令将战死的将士尸首标识姓名，等到回师返朝时一同带回。戊子（二十二日），任命高延寿为鸿胪寺卿，高惠真为司农寺卿。
张亮的部队经过建安城下，尚未坚固壁垒，士兵们便大多出外割柴草打野物，高丽兵突然赶到，军中大乱。张亮平时就胆小，蹲坐在胡床上，眼睛直愣愣地看着前方说不出话来，将士们见此情景，反倒认为张亮勇敢。总管张金树等人敲鼓聚集兵马反击高丽兵，将其击退。
八月，甲辰（初八），巡卫骑兵抓住了莫离支手下的间谍高竹离，将其反绑双手押送到军营，顺武帝亲自召见他，为他松绑问道：“你怎么这么瘦呢？”答道：“我偷偷地走小道，已经有几天没吃东西了。”顺武帝命人赐给他食物，对他说：“你身为间谍，应当迅速回去复命。你替我告诉莫离支：想要知道我方军中情形，可以派人直接到我们的营地，何必偷偷摸摸地这么辛苦呢？”高竹离光着脚，顺武帝赐给他草鞋打发他回去。
丙午（初十），秦朝军队将营帐迁到安市城南。顺武帝在辽东一带，凡是设置军营，只是在明处设置岗哨，而不设沟堑堡垒，即使逼近高丽城堡，高丽军队也不敢出兵騷扰，秦朝士兵们单人行路野外露宿便如同在中原时一样。
顺武帝将要讨伐高丽时，正好薛延陀派使者到朝中进献贡品，顺武帝对来使说：“告诉你们的可汗，如今我们父子二人要亲自带兵东征高丽，你们想要侵犯，就立刻来！”真珠可汗听此言极为恐惶，忙派使者前来谢罪，并且请求派薛延陀兵前来协助攻打高丽；顺武帝没有答应，等到高丽军队在驻骅山被打得大败，莫离支便让人劝说真珠可汗，以丰富的利益加以引诱，真珠可汗慑服于秦朝的力量而未敢有所举动。九月，壬申（初七），真珠可汗死去，顺武帝为他举哀发丧。
顺武帝领兵攻克高丽白岩城后，对李世绩说：“我听说安市城地势险要、士兵精良，其城主智勇双全，当初莫离支叛乱时，城主不服命，莫离支久攻不能取胜，因而便仍由他管理此城。建安城兵力微弱、粮食稀少，如果出其不意进攻它，必然能够取胜。你可带兵先去攻建安，建安城攻下后，则安市城便如在我胸腹中，这正是孙子兵法所说的‘城有所不攻’的道理。”李世绩答道：“建安在南面，安市在北面，我方军粮都在辽东城；如今我们越过安市去进攻建安，假如敌人切断我方运粮通道，那将怎么办呢？倒不如先去攻打安市，攻下安市，则可以一鼓作气轻取建安。”顺武帝说：“你是统军将领，怎么能不用你的策略。但不要延误了我的军机大事。”李世绩于是领兵进攻安市。
安市人远无望见顺武帝的旗帜伞盖，总是登上城楼一起敲鼓呐喊，顺武帝大怒，李世绩请求攻下城池当天，将城中男女全部活埋，安市人听说后，更是顽强守城，秦军久攻不下。高延寿、高惠真向顺武帝请求道：“我们既然委身于大秦帝国，便不敢不献上一份忠诚，这样可以让大秦天子早成大功，我们也得与妻儿老小相见。安市人顾惜自己的家庭，人人各自为战，不容易立即攻克。如今我等以高丽兵十多万，望见旌旗即遭溃败，高丽人闻风丧胆，乌骨城首领多老迈无用，很难坚守城池，如果秦军移师临近该城，早晨到晚上即可攻克，其余中途挡道的小城，必定望风溃逃。然后广收他们物资粮草，一鼓作气，平壤必定坚守不住。”众位大臣们也都说：“张亮的部队在沙城，如果征召他们二个晚上即可到达，乘着高丽惊恐的时候，合力拿下乌骨城，渡过鸭绿江 ，直取平壤，就在于这次行动了。”顺武帝想要听从这个意见，惟独长孙无忌认为：“陛下亲自征战，与一般将领统兵不同，不可以冒着危险侥幸取胜。如今建安、新城的敌兵还有十万人，如果我们移师乌骨城，他们都会追袭我军的后路，倒不如先攻下安市，占取建安，然后再长驱直入，这才是万全之策。”顺武帝于是停止移师乌骨的计划。
各路大军紧急攻打安市城，顺武帝听见了城中鸡和猪的鸣叫声，对李世绩说：“围城的时间很长，城中炊烟日见稀少，如今鸡和猪叫得厉害，这一定是在犒劳士兵，想要夜间出来偷袭我们，应当严加防范。”当夜，高丽几百人顺着绳索爬出城外。顺武帝听说后，亲自到了城下，召集士兵紧急围攻，杀死几十人，其余高丽兵逃回城中。
江夏王李道宗率领部下在城东南角筑土山，渐渐逼近城墙，城里也不断增高城墙与城外对抗。士兵们轮番攻战，每天有六七个回合，秦军用冲车和发射石块，撞开城墙垛，城中随即立木栅栏以堵塞缺口。李道宗脚部受伤，顺武帝亲自为他针炙。秦军昼夜不停地筑土山，总共用了六十天，用去劳力五十万人次，山顶离城只有几丈，可以向下俯瞰城中，李道宗让果毅都尉傅伏爱领兵驻守在山顶以防备高丽兵。土山坍毁，压向城墙，城墙崩塌；正赶上傅伏爱私自离开营所，高丽几百名士兵从城墙缺口处出来迎战，于是便夺下占据了土山，挖沟堑守护。顺武帝大怒，将傅伏爱斩首示众，命令众位将领攻城，却三天都未攻下来。李道宗光着脚到顺武帝的麾旗下请罪，顺武帝说：“你的罪过该当处死，但是朕想到汉武帝杀死大将王恢，倒不如秦穆公二次重用孟明，又念你攻破盖牟、辽东有功，所以特赦你不死。”
顺武帝认为辽东一带早寒，草木干枯水结冰，士兵马匹都不宜久留，而且粮食快要用光了，癸未（十八日），便敕令班师还朝。先让辽东、盖牟二城的百姓举家渡过辽水，于是在安市城下显耀兵力，而后凯旋，城中高丽人都藏身不出。城主登上城楼答礼为秦军送行，顺武帝称赞他能够坚守城池，赐给城主绸段一百匹，用来鼓励他事奉高丽国王。命令李世与江夏王李道宗领步骑兵四万人殿后。
乙酉（二十日），秦军到达辽东城。丙戌（二十一月），渡过辽水。辽泽一带道路泥泞，车马难以通行，顺武帝命长孙无忌率领一万人割草填道，水深的地方用车做桥梁，顺武帝亲自将薪木等拴在马鞍后帮助铺路。冬季，十月，丙申朔（初一），顺武帝到达蒲沟停下，督促填道铺路的各路军渡过渤错水，赶上天降暴风雪，士兵们衣湿多被冻死，顺武帝敕令在道上点上火堆，以等侯士兵烤火。
此次征伐高丽，总共攻克玄菟、横山、盖牟、磨米、白岩、辽东、卑沙、麦谷、银山、后黄十座城，迁徙辽、盖、岩三州户口加入秦朝户籍共七万人。新城、建安、驻骅三次较大的战役，杀死高丽兵四万多人，秦朝将士死近二千人，战马损失十分七八。