趁機又歸唐，有人勸竇建德殺掉李蓋，可建德也是位磊落大夫，表示說“李世績忠臣，各為其主”，派人送李蓋歸唐。

李世績後來的人生一帆風順，先是協同太宗連平王世充、竇建德、劉黑闥、徐圓朗、輔公袥等人，功勳赫赫。

其間，還有一個插曲可述。單雄信投王世充後，極受寵遇，也很賣命。太宗攻洛陽時，有一次與單雄信相遇，單雄訊號為“飛將”，藝高膽大，援槍直刺太宗，好幾次差點追及把這位秦王捅落馬下。

王世充投降後，太宗把與唐軍苦戰的十幾名大將列入處決名單，李世績泣請，以自己家財爵位換這位老哥們兒一命，由於先前差點兒被單雄信殺掉，太宗堅執不允。李世績無奈，與單雄信訣於大獄。

單雄信埋怨他說：“我固知汝不辦事”。

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李世績聞言大哭，用刀從腿上割下一塊肉給單雄信吃掉，說“本來想隨仁兄一起死，但誰來照顧你的家人呢。此肉隨兄入地下，以表我拳拳真情。”

單雄信死後，李世績如家人般照顧他的妻子兒女，確是千古義氣的典範。

武德六年，又跟隨趙郡王李孝恭和李靖討伐輔公祏。入唐後，唐高祖李淵說李世績是“純臣”，賜他姓李。先封曹國公，後封英國公。

在歷史上，李世績曾先後參與平定東。突厥、薛延陀、高句麗的戰役，武德八年突厥進犯，李世績奉命討伐。貞觀三年大破突厥，俘五萬人而歸。

貞觀十五年，拜李世績為兵部尚書，還未赴京上任，薛延陀部又侵擾李思摩部。李世績獲唐廷委任為朔州行軍總管，率輕騎三千追薛延陀於青山，大敗敵師，斬名王一人，俘五萬多人。

貞觀十八年，李世績又跟從太宗伐高句麗，攻破遼東、白崖等數城。貞觀二十年，又率軍大破薛延陀部，平定磧北。

高宗乾封元年，高句麗權臣蓋蘇文病死，其子男生繼掌國事，另外兩個兒子男建、男產發難，驅逐男生。男生奔唐朝，懇求大唐發兵相助。

高宗任李世績為遼東道行軍大總管，率軍徵高句麗。乾封二年二月，李世績大軍渡遼水，攻撥高句麗重城新城。李世績一路連捷，直抵平壤城南紮下大營，男建不斷派兵迎戰，皆大敗而還。不久，城內人投降唐軍為內應，大開城門，唐兵四面縱火，燒燬城門，男建窘急，自殺未死。平壤城最終被攻下，唐朝共獲一百七十六城，六十九萬七千戶。至此高句麗國滅，分其地置九個都督府，四十一州，一百縣，設安東都護府統管整個高句麗舊地。

自隋文帝以來，屢伐高句麗，無一成功。隋煬帝三次伐遼，因此亡國。英明神武如太宗皇帝，御駕親征，也因天寒少糧而無功罷兵。高宗繼位，前後派兵部尚書任雅相、左武衛大將軍蘇定方、左驍衛大將軍契必何力多次征討，皆無功而返。直到李世績老將出馬，乘高句麗內亂，加之指揮有方，一舉討滅東邊這個多年難拔的“釘子戶”，想必隋、唐幾位皇帝如果地下有知，肯定慚嘆不已。

李世績回國後不久，因征伐勞累而病重，總章二年十二月戊申日卒，年七十六。高宗親為舉哀，輟朝七日，贈太尉，諡曰貞武，陪葬昭陵。

無論是生前還是死後，李世績都享有崇高榮譽。在李世績歸唐之初，高祖就賜他姓李，稱讚他是“純臣”，並委以重任，施以豐厚的賞賜。

太宗更是對他鐘愛有加、稱讚有加，稱其：“參經綸而方面，南定維揚，北清大漠，威振殊俗，勳書冊府。”並將他圖形於凌煙閣二十四開國勳臣之列。

李世績有次突然重病，驗方上說用鬍鬚燒的灰可以治好，太宗親自剪下自己的鬍鬚給他和藥。李世績叩頭出血，哭著謝恩。太宗說：“我這是為社稷打算，不用感謝。”貞觀十七年，高宗還在東