单雄信死后，李世绩如家人般照顾他的妻子儿女，确是千古义气的典范。

武德六年，又跟随赵郡王李孝恭和李靖讨伐辅公祏。入唐后，唐高祖李渊说李世绩是“纯臣”，赐他姓李。先封曹国公，后封英国公。

在历史上，李世绩曾先后参与平定东突厥、薛延陀、高句丽的战役，武德八年突厥进犯，李世绩奉命讨伐。贞观三年大破突厥，俘五万人而归。

贞观十五年，拜李世绩为兵部尚书，还未赴京上任，薛延陀部又侵扰李思摩部。李世绩获唐廷委任为朔州行军总管，率轻骑三千追薛延陀于青山，大败敌师，斩名王一人，俘五万多人。

贞观十八年，李世绩又跟从太宗伐高句丽，攻破辽东、白崖等数城。贞观二十年，又率军大破薛延陀部，平定碛北。

高宗乾封元年，高句丽权臣盖苏文病死，其子男生继掌国事，另外两个儿子男建、男产发难，驱逐男生。男生奔唐朝，恳求大唐发兵相助。

高宗任李世绩为辽东道行军大总管，率军征高句丽。乾封二年二月，李世绩大军渡辽水，攻拨高句丽重城新城。李世绩一路连捷，直抵平壤城南扎下大营，男建不断派兵迎战，皆大败而还。不久，城内人投降唐军为内应，大开城门，唐兵四面纵火，烧毁城门，男建窘急，自杀未死。平壤城最终被攻下，唐朝共获一百七十六城，六十九万七千户。至此高句丽国灭，分其地置九个都督府，四十一州，一百县，设安东都护府统管整个高句丽旧地。

自隋文帝以来，屡伐高句丽，无一成功。隋炀帝三次伐辽，因此亡国。英明神武如太宗皇帝，御驾亲征，也因天寒少粮而无功罢兵。高宗继位，前后派兵部尚书任雅相、左武卫大将军苏定方、左骁卫大将军契必何力多次征讨，皆无功而返。直到李世绩老将出马，乘高句丽内乱，加之指挥有方，一举讨灭东边这个多年难拔的“钉子户”，想必隋、唐几位皇帝如果地下有知，肯定惭叹不已。

李世绩回国后不久，因征伐劳累而病重，总章二年十二月戊申日卒，年七十六。高宗亲为举哀，辍朝七日，赠太尉，谥曰贞武，陪葬昭陵。

无论是生前还是死后，李世绩都享有崇高荣誉。在李世绩归唐之初，高祖就赐他姓李，称赞他是“纯臣”，并委以重任，施以丰厚的赏赐。

太宗更是对他钟爱有加、称赞有加，称其：“参经纶而方面，南定维扬，北清大漠，威振殊俗，勋书册府。”并将他图形于凌烟阁二十四开国勋臣之列。

李世绩有次突然重病，验方上说用胡须烧的灰可以治好，太宗亲自剪下自己的胡须给他和药。李世绩叩头出血，哭着谢恩。太宗说：“我这是为社稷打算，不用感谢。”贞观十七年，高宗还在东宫时，调任李世绩为太子詹事，追加特进的待遇，仍担任知政事。太宗又曾设宴，宴席上，太宗回头对李世绩说：“我想托付年幼的太子，考虑下来没有再比你合适的人选。你过去能不忘李密，如今怎么会做对不起我的事情！”李世绩擦着眼泪回话，把自己的手指咬出血来。不一会李世绩喝得大醉，太宗把御服盖在他身上。他就是这样地被委任信用。李世绩每次行军作战，用兵筹划，临敌应变，都能做得很确当。从贞观以来，李世绩奉令付伐突厥颉利可汗和薛延陀、高句丽等，都把他们打得大败而逃。太宗曾说：“李靖、李世绩二人，古代的名将韩信、白起、卫青、霍去病岂能比得上啊！”

高宗对他更是恩宠，高宗举行泰山封禅大典，任他为封禅大使，途经他的故乡时，皇后武氏亲自去看望他寡居的姐姐，赐给衣物，还封为东平郡君。

李世绩不慎坠马伤足，高宗亲自慰问，并把御乘赐予他。永徽四年，高宗又命人为他画像，还亲自为他写序。高句丽平后，高宗祭祀宗庙，“以李世绩为亚献”。

公元669年，李世绩病逝，“上闻之悲泣，葬日，幸未央宫，登楼望车恸哭。起冢象阴山、铁山、乌德鞬山，以旌其破突厥、薛延陀之功。”并令在光顺门为他举哀，七天不上朝。

甚至在他死后近百年，也就是上元元年，唐肃宗还把他与李靖一起，誉为历史上十大名将之一，配享武成王庙。认为他和李靖所立下的功绩，只有汉朝的卫青和霍去病才能与其相媲美。