全军过河之后，唐太宗下令撤去浮桥，以激励士气，把大本营设在马首山（今辽宁省辽阳市西南首山），派人安抚赏赐江夏王李道宗，破格提拔马文举为中郎将，斩杀了张君乂。唐太宗亲自率领数百骑兵来到辽东城下，看到士兵们背负泥土，填塞护城河，命一名背得特别多的士兵分给自己一部分，骑在马上抱着；唐太宗身边的侍从们争先恐后地抢过泥土，运到城下。

当初，高丽听说唐军军中有飞石车，能把三百多斤的大石头抛到一里开外，都非常害怕，提前在城墙上堆积木头，用大绳索捆绑起来当作碉楼，以抵御飞石。李世勣率部用飞石车、撞车向辽东城发起了猛烈的进攻，昼夜不停，一连进攻十二天；唐军用飞石车抛石、撞车猛击，敌人的碉楼全部击碎。唐太宗亲自率领一万多名精锐骑兵与李世勣的军队会师，把辽东城包围得里三层，外三层，喊杀声惊天动地。

五月十七日，天上突然刮起南风，唐太宗派遣壮士们爬上冲竿的顶端，纵火焚烧了辽东城西南面的城楼。风助火势，大火蔓延，烧到内城，城内顿时陷于一片火海，城内房屋变成一片瓦砾，城内有上万人被烧死。唐太宗趁机下令唐军向城内发起总攻，高丽守军拼死抵抗，但最终抵挡不住，辽东城终于陷落。唐军杀死上万人，俘虏一万多士兵及四万户百姓，缴获粮食五十万石。唐太宗将辽东城改为辽州，并下令点燃烽火，向太子李治报捷。

白岩城位于辽东城东南四十里，背山靠水，地势非常险要，是辽东城的护卫城。打下辽东城之后，白岩城守将孙伐音偷偷派人请降，但不久，他又后悔了。唐太宗大怒，传令军中，答应城破之后，将城内财物、俘虏赏给将士们。

五月二十八日，唐太宗率领唐军朝白岩城（又名白崖城）扑来，把大营设在城的西北面。五月二十九日，右卫大将军李思摩在激战中被流箭射中，唐太宗亲自给他吸出脓血，将士们听说后，无不深受感动。高句丽后方的乌骨城派来一万余名援军，前来声援。右骁卫大将军契苾何力时任前军总管，率领八百精锐骑兵迎战，结果被高丽军团团包围，被长矛刺中腰部；尚辇奉御薛万备（薛万淑、薛万均、薛万彻的小弟弟）也异常骁勇，他单人匹马，挺枪杀入万众之中，把契苾何力解救了出来。契苾何力更是恼火，他把伤口简单包裹一下，又飞身上马，率领部下重新投入战斗，最终把高丽人击破，又追杀了数十里，斩杀一千多人。正巧天黑，两国这才各自罢兵。契苾何力回营后，伤势沉重，唐太宗亲自替他抹药疗伤。

六月一日，唐军对白岩城发起了总攻。李世勣负责进攻城西南，唐太宗亲自在城西北组织攻城。李世勣用撞车、抛石车向城内发起猛攻，顿时巨石、流箭像雨点一样飞入城内。孙代音偷偷派心腹请降，约定扔下刀斧作为信号，并说：“我愿意投降，只是城内有不愿从命的。”唐太宗把唐军军旗交给孙代音的使者，说：“如果真的愿意投降，就把这面军旗插在城墙上面。”等到唐军发起进攻时，孙代音就把唐军军旗插到了城墙上面，城内守军误以为唐军已经登上了城墙，遂放下武器，跟着孙代音投降了。

李世勣看到唐太宗将要接受孙代音的投降，赶忙率领数十名将士来到唐太宗跟前，请求道：“将士们之所以奋不顾身，冒着流箭飞石，就是贪图城内的财物罢了，如今，白岩城眼看就要攻下了，为何要接受他的投降，让全军将士心寒！”唐太宗从马上下来，向李世勣等人道歉说：“将军你说的对。然而，纵兵杀人，掳获他人的妻子儿女，朕于心不忍。将军部下有军功的，朕将用国库内的财物予以赏赐，希望将军能放过这一座城池的生灵。”李世勣这才退下。

唐太宗在水边举行受降仪式，共计得到白岩城内一万多百姓，两千四百多名战士；唐太宗下令赏赐给他们衣服、食物，八十岁以上的老人又分别赏赐给一定数量的丝绸。协防白岩城的其他城池的士兵，唐军一一告知他们这次出征的目的，送给他们食物、工具，任其离去。

当初，辽东城的长史被其部下所杀，侍从官保护着长史的妻子儿女逃到了白岩城。唐太宗被侍从官的义气所感动，下令赏赐给侍从官五匹布帛，并给长史修造一个灵车，送归平壤。以白岩城为岩州，以孙代音为岩州刺史。战后，唐军抓获了刺中契苾何力的高丽人高突勃，唐太宗把他交给契苾何力处置。契苾何力说：“犬马尚且各为其主，何况是人臣呢？他替自己的主子卖命，甘冒白刃刺杀我，此乃忠勇之士啊，我与他互不相识，哪有仇怨？”就把他释放了。莫离支曾派加尸城（在平壤西南）的七百人协防盖牟城，唐军俘获他们后，他们都表示愿意加入唐军。唐太宗说：“你们家属都在加尸城，你们替我作战，莫离支肯定会杀掉你们的家属，让一个人替我参战，却害了一家人的性命，这我不忍。”六月二日，唐太宗也送给他们干粮，把他们送回国了。

六月三日，唐太宗下令以盖牟城为盖州。