见粮道被断，果然恐慌不已，连忙派人向平壤求援。李积早已料到高句丽会派兵救援，便在援兵的必经之路设下埋伏，一举击溃了高句丽的援军。新城守军见援兵被歼，粮草耗尽，只得开城投降。
攻克新城后，李积率领唐军继续南下，先后攻克了辽东、白岩等十余座城池，直逼高句丽的都城平壤。此时，高句丽的国王高藏见唐军势不可挡，只得派人向唐朝投降。但李积深知高句丽反复无常，若不彻底将其平定，日后必再生叛乱。于是，他对部下说：“高句丽今日投降，明日可能再反，不如趁此时机，攻克平壤，彻底终结高句丽。”
随后，李积率领唐军对平壤发起猛攻。平壤守军虽顽强抵抗，但在唐军的猛烈攻势下，最终还是溃败。总章元年（668年）九月，李积率军攻克平壤，俘虏了高句丽国王高藏及文武大臣，高句丽汗国从此灭亡。
消息传回长安，唐高宗亲自到城门迎接李积，对他说：“您年过七十，仍能率军平定高句丽，为大唐开拓疆土，此功足以光耀千古！”随后，唐高宗封李积为太子太师，赏赐他良田千顷、奴婢三百人。
总章二年（669年），李积因病在长安去世，享年七十六岁。唐高宗得知后，悲痛不已，下令停朝七日，追赠李积为太尉、扬州大都督，陪葬昭陵。在安葬李积时，唐高宗亲自到城外送葬，望着李积的灵柩，忍不住落泪道：“从此，大唐再无这样的名将了。”
李积的一生，历经隋末乱世、唐初统一、贞观盛世、高宗拓土四个阶段，他的每一次征战，都与大唐的命运紧密相连。他平定东突厥，让唐朝消除了北方的威胁；他灭亡高句丽，让唐朝的疆域扩展到朝鲜半岛；他的“多谋善断、用兵稳健、善抚士卒”，不仅为他赢得了战争的胜利，更赢得了后世的敬仰。
唐太宗曾说：“李靖、李积二人，古之韩、白、卫、霍岂能及也。”这句话，既是对李积军事才能的最高评价，也是对他一生功业的最好总结。