武德二年（619年），徐世积对长史郭孝恪说：“魏公（李密封魏国公）已经归附大唐，如今这里的人民土地，是属魏公所有，我如果上表献出它们，就是借主人的失败得利，自己为自己邀功，用来求取富贵，是我认为耻辱的。现在应当一五一十地记录州县的名称数量和军民的户口，全部报告魏公，让魏公自己献给朝廷，这样就是魏公的功劳了。”他于是派使者致信李密。使者初到朝廷，李渊听说徐世积没有奏表，只写信给李密，颇感奇怪。待到使者把徐世积的本意告知李渊，李渊才大悦道：“徐世积感怀主人的恩德、推辞功劳，确实是纯臣。”下诏封他为黎阳总管、上柱国，封莱国公。又加授右武候大将军，改封曹国公，并被赐姓李氏，“附宗正属籍”，再赐良田五十顷、上等宅第一所。徐世积自此改名李世积。 不久后，李渊命李世积统领河南、山东的军队抵抗王世充。

九月，河北军阀窦建德进攻相州，山东道安抚大使、淮阳王李神通率军逃至黎阳。 十一月，窦建德攻陷黎阳，李盖（即徐盖，此时已被赐姓李氏）与李神通、魏徵、同安公主等人一同被俘。李世积率领数百骑兵渡河撤离，但因李盖被俘，只得返回投降。窦建德将李盖作为人质，仍让李世积镇守黎阳。

李世积想要归顺唐朝，但又担心此举将祸及其父。他私下与郭孝恪商议后，决定先为窦建德立功，取得其信任，再行图谋。不久后，李世积在获嘉袭败王世充所部，多有斩获，窦建德因此对他颇为亲近。李世积在取得窦建德的信任后，成功劝说他亲征河南，企图借机将其杀死。但窦建德的妻子产子，他因此迟迟未起程。 李世积既不能袭取窦建德，谋杀窦建德部将曹旦的计划又泄漏。只得与郭孝恪率领几十名骑兵归降唐朝。

武德三年（620年）四月，李世积随秦王李世民大败宋金刚。 同年，李世积又随李世民讨伐王世充，奉命接管管州。 郑国（王世充称郑国皇帝）太子王玄应企图攻取管州，李世积将其击退。李世积又派郭孝恪劝降郑国荣州刺史魏陆，阳城、汴州也相继来降。

武德四年（621年），郑国的郑州司兵沈悦请求献出虎牢关降唐，李世积夜间埋伏军队接应，占领了虎牢关，抓获了郑国的荆王王行本。 又参与击擒窦建德、降伏王世充。七月，唐军整军回朝。李渊论功行赏，李世民为上将，李世积为下将。他与李世民等二十六人一同身穿金甲、乘着兵车到太庙去报捷。李盖也从洺州与裴矩等人一起入朝，李渊见到他们后非常高兴，恢复了李盖的官爵。 十二月，窦建德旧部刘黑闼率军数万进逼宗城。李世积弃城逃往洺州，被刘黑闼追上，损失步军五千人，“仅以身免”。

武德五年（622年）三月，李世积在洺水之战中击败刘黑闼部将高雅贤。七月，李世民进击自称鲁王的徐圆朗，连取十余座城池，迫使江淮义军首领杜伏威入朝。李世民鉴于局势初定，于是，留李世积与淮安王李神通、行军总管任瑰等继续讨伐徐圆朗，自己则班师回朝。 经连续升迁，他官拜左监门大将军。之后，徐圆朗又占据兖州反叛，朝廷授李世积为河南道大总管，前往讨伐。不久后，李世积便擒获徐圆朗，斩其首级献给朝廷，兖州就此平定。

武德六年（623年）八月，李渊命李世积与赵郡王李孝恭、岭南道大使李靖、怀州总管黄君汉一同讨伐江淮义军首领辅公祏。

武德七年（624年）三月，李孝恭、李靖率领水师沿长江而下，李世积率领步兵一万渡过淮水，攻取辅公祏占据的寿阳，直抵峡石。辅公祏的部将陈正通率兵两万屯驻在梁山，又派他的大将冯惠亮统帅水师三万，用锁链连接大战船，以阻断长江的航路。陈正通还在长江西岸构筑堡垒，分守水陆两路，以此抵御唐军。李靖等首先攻破陈正通、冯惠亮等人所驻的博山、青林等地，旋即进兵丹杨。辅公祏闻讯后大惊，企图率残部弃城东逃。李世积乘胜追击，在武康县将其斩杀，并分别捕杀其余党。江南自此平定。

武德八年（625年），东突厥颉利可汗入侵并州，朝廷命李世积为行军总管，在太谷迎击突厥，将其驱逐。

武德九年（626年），李世民即位，拜李世积为并州都督，赐封邑九百户。

贞观三年（629年）八月，李世民接受了代州都督张公瑾的建议，命兵部尚书李靖为定襄道行军总管，以张公瑾为副，决定对东突厥发起强大的军事攻势。十一月，李积被授为通漠道（一作通汉道）行军大总管，与华州刺史柴绍、灵州大都督薛万彻等统率十几万军队，都接受李靖的统帅，诸将分道出击突厥。

贞观四年（630年）正月，李靖率精骑三千夜袭定襄（今内蒙古和林格尔北土城子古城）。颉利可汗误判唐军兵力，仓促北撤至戈壁沙漠边缘，其部众多有叛离。