高句丽军中有对庐，年老习事，劝说高延寿让士兵停止前进，不出战，等待大唐军队粮食耗尽，可不战而胜。而高延寿不听，引导的士兵直接前进，在距离安市城40里处驻扎下来。

唐太宗担心他们徘徊不至，又派出左卫大将军阿史那社尔率领突厥1000多名骑兵前去挑战，佯败而逃，将敌军一直引诱到安市城东南八里处的山坡前。高延寿等立即依靠大山摆开阵势，高句丽、靺鞨连营在一起，长达40多里地，准备与大唐军队决战。

唐太宗李世民登高观察了敌人的营房以及周围山川形势，确定了伏兵隐藏地点。当天夜里立即召集诸位武将进行部署：命令李世绩率领步兵、骑兵1.5万人在安市城西面山岭布阵，正面阻击敌军；命令长孙无忌率领牛进达等精兵1.1万人从山北面穿过峡谷绕到敌人的身后，从背后夹击敌军；唐太宗则亲自率领步兵、骑兵4000人潜伏进入敌人大营北面的山峰上，攻击敌人的中部。并且约定好诸位将军，听到鼓角声一齐出击。

7月20日，高延寿看见只有李世绩布阵迎战，轻视李世绩的兵士兵很少，列开阵势想要决战。这时，唐太宗李世民在北山上遥远的看见了长孙无忌行军的尘土飞扬，立即下令鼓角一齐轰鸣，旗帜并举。诸位将军听到鼓角声响，率领大军一齐杀向敌军。高延寿等大惊失色，想要分一些士兵抵御，无奈势式已经混乱，调动不灵。

李世绩则率领1万手持长枪的步兵，列成方队向敌军冲了过去。这是李世绩在瓦岗军时期就创立的战法，后来经过不断的使用和总结，已经日趋完善了。

这一战法曾经使李世绩打了不少的胜仗，特别是在关键的时刻能够以少胜多，转危为安。果然，高延寿虽然兵多势众，但是根本抵挡不住李世绩率领的长枪步兵方队的猛烈冲击，很快就败下阵来。

与此同时，长孙无忌从敌人后面杀来，唐太宗又从北山上杀下来，在三面大唐军的夹击下，敌人的军队头尾不相顾，大败溃逃，丢下了2万多具尸体。

高延寿等人收拾了余下的残兵败将，共得到了人，依靠的大山，作坚固的防守。李世绩、长孙无忌等人率领大军，把高延寿率领的残兵败将团团围住，并且拆掉了桥梁，切断了敌军的归路。

7月21日，高延寿等人自己料定没有办法逃脱了，于是举众投降。唐太宗李世民简选了其耨萨以下的酋长3500人，授以官职，迁居内地；其余的3万多人全部释放，让他们返回平壤；另外将屡屡充当高句丽先锋、与大唐军为敌的靺鞨兵3300人全部埋坑里杀掉，以示警戒。这一仗，还缴获了战马5万匹，牛五万头，铁甲一万多领。

大唐军队只用了一天时间，就全部消灭了高延寿、高惠真率领的援军，消息一经传开，高句丽举国震骇。后黄城、银城等城的守卫的军队吓得赶快拔腿逃去，以至于数百里内没有人烟了，都跑掉。

不过，安市城守卫的军队却众志成城，奋力抵抗。8月2日，唐太宗李世民移营到达了安市城东岭上督战，9月6日，又移营到达了安市城南面督战，都不能把安市城攻下。特别是安市人只要看到皇帝的仪仗旗盖，就马上登上城墙鼓噪辱骂，使唐太宗大怒不止，更使攻城的总指挥李世绩羞愧难当，毫无面子。李世绩恼羞成怒，对唐太宗说：请求攻破城池的日子，把城里的男子全部杀掉。没想到城内部的人听到后，“人人都拼死的作战”，反而使大唐军队越来越难以攻下城池。