颉利可汗见势不妙，想率领亲信突围，却被李积亲自率军拦住。李积在阵前对颉利说：“大唐天子仁厚，若你束手就擒，可保你性命；若你顽抗到底，今日便是你的死期。”颉利见大势已去，只得下马投降。此役，唐军共俘虏东突厥部众十余万，缴获牛羊数十万头，东突厥汗国从此灭亡。
战后，李靖与李积率军返回长安，唐太宗亲自到城外迎接，对二人说：“昔年汉武帝派遣卫青、霍去病征讨匈奴，花费数十年时间，才勉强将匈奴击退；如今你们二人仅用数月时间，便平定了东突厥，古之韩、白、卫、霍，岂能及也！”随后，唐太宗封李积为英国公，食邑一千五百户。
而李积在平定东突厥后，并未居功自傲。他将缴获的牛羊全部分给士兵，将俘虏的东突厥部众妥善安置，让他们在漠南定居，从事农业生产。许多东突厥贵族感激李积的善待，纷纷请求归附唐朝，唐朝的北方边境从此迎来了数十年的和平。
贞观年间，李积不仅在军事上屡立战功，在政治上也颇有建树。他历任兵部尚书、司空等职，始终保持着低调谨慎的态度。唐太宗曾多次对大臣说：“李积为人正直，做事谨慎，从不结党营私，是我可以托付大事的人。”
贞观十七年（643年），唐太宗为了纪念跟随自己打天下的功臣，命人在凌烟阁绘制了二十四位功臣的画像，李积位列其中。当时，唐太宗已经年迈，开始考虑皇位继承的问题。他担心太子李治年幼，难以驾驭朝中大臣，便特意将李积贬为叠州都督。临行前，唐太宗对李治说：“李积是个忠臣，但你对他没有恩惠，我现在将他贬官，若他立刻启程，等我死后，你再将他召回，任命为宰相，他必会对你感恩戴德，尽心辅佐你；若他犹豫不前，你便将他处死。”
李积接到贬官的诏书后，没有丝毫犹豫，当天便收拾行装，前往叠州赴任。唐太宗得知后，欣慰地说：“李积果然是个识大体的人，我可以放心了。”唐高宗李治继位后，按照唐太宗的遗愿，将李积召回长安，任命为尚书左仆射，封为司空。
此时的李积，已年近六十，但他仍未停下为大唐效力的脚步。当时，高句丽仍割据朝鲜半岛，多次拒绝唐朝的招安，甚至联合百济进攻新罗。唐高宗决定征讨高句丽，却因朝中大臣意见不一，迟迟未能下定决心。李积得知后，主动向唐高宗请缨：“高句丽自隋朝以来，便反复无常，若不将其平定，必为后患。臣虽年迈，但仍愿率军出征，为大唐扫清这一障碍。”
唐高宗见李积主动请缨，十分感动，任命他为辽东道行军大总管，率领六万大军，东征高句丽。此时的李积，已年过七十，但他仍亲自率军出征，每日行军百里，从不叫苦。在军中，他与士兵同甘共苦——士兵的饭没做好，他绝不先吃；士兵受伤，他亲自为其包扎；士兵生病，他派人送去药品。因此，唐军士兵都愿意为他效死，士气极为高涨。
李积率军抵达高句丽后，先派人侦查高句丽的城池分布与兵力部署。他发现，高句丽的重镇新城（今辽宁抚顺）地势险要，兵力雄厚，是阻挡唐军南下的关键。于是，他决定先攻新城。但新城守军坚守不出，唐军久攻不下。李积便想出一计：他派人在新城周围修筑营垒，假装要长期围困，暗中却率领精锐骑兵，绕道新城后方，突袭高句丽的粮道。
高句丽新城守将