安市城高句丽重要的城市之一，现在是贞观十九年的四月，李世民的车架从辽东城出发，到达安市城（今辽宁省鞍山市海城市营城子镇）外。
因为安市城的中重要，所以高句丽北部耨萨延寿、惠真率高句丽、靺鞨兵十五万来救安市城。
延寿率军到达距离安市城四十里的地方。
李世民命令阿史那社尔率一千突厥骑兵去诱敌，刚交战就假装退走。高句丽军争相前进，到达安市城东南边八里的地方，依山列阵。
李世民亲自与长孙无忌等人以及数百骑兵到高处观察山川形势，可以伏兵以及出入的地方。
李世民命令李世勣率军队一万五千设阵于西岭，长孙无忌率精兵一万一千为奇兵，从山北出狭谷去攻击敌人的后方。李世民亲自率领军队四千，挟鼓角，偃旗帜，登北山上，命令各军听到鼓角声就一起出击奋力进攻。
延寿看到李世勣布阵，结阵要作战。李世民望见长孙无忌军尘起，命令作鼓角，举旗帜，各路军队鼓噪并进，延寿等人大惧，想分兵抵御。
唐将薛仁贵大喊的冲入高句丽军阵，所向无敌。唐军进攻，高句丽军大溃。唐军斩首两万多级。（通常杀敌数远多于斩首数，例如平壤之战明军斩首就800百、但是小西第一军损失却超过1万。）
延寿等人率领剩余的军队依山自固。李世民命令诸军包围之。长孙无忌撤了桥梁，断了高句丽军的归路。延寿、惠真率三万六千八百人投降，入军门，膝行而前，拜伏请命。
李世民选出耨萨及已下酋长三千五百人，迁往内地，其他的都释放，让他们回平壤，他们都举起双手以头顿地，欢呼声传到数十里之外。
此外，这一战还缴获马五万匹，牛五万头，铁甲一万多领，以及其他大量兵器。高句丽全国都非常震惊害怕，后黄城、银城的高句丽人都自己弃城逃走，数百里没有人烟。
不过遗憾的是，安市城最终还是没有攻下，主要的原因就是李世民的这次亲征充分吸取了之前隋炀帝的教训，尽可能地压缩军队的规模从而减少百姓的负担。因此李世民这次亲征的总兵力只有十余万，不到高句丽兵力的一半，是一场以少胜多的战争。
虽然军队数量较少，但跟随李世民亲征的唐军精锐，战斗力远胜高句丽军。李道宗四千唐军就击败了数万高句丽军，张亮的唐军在遭到偷袭且主帅大脑宕机的情况下都能自行反击大败敌军。
正因如此，李世民亲征高句丽几乎保持了百分之百的野战胜率。但在进攻安市城时，唐军的战斗力优势受到极大限制而数量劣势则凸显出来。而高句丽自从南北朝之后最擅长的就是龟壳防守。
再加上补给的问题，这场战争一直持续到了九月，天气转凉的秋季导致唐军的后勤补给出现困难。要是像隋炀帝那样不顾百姓死活而孤注一掷的话，唐军完全可以继续进攻安市城，但李世民不是隋炀帝。
李世民认为为了进攻安市城而加重百姓负担是舍本求末的错误，既然此次亲征已经取得巨大战果且继续进攻不利，那不如见好就收。于是在贞观十九年（645年）九月，李世民下令班师回朝。