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四月二十八日，从平壤赶来支援的四万多敌军援军见盖牟城被唐军攻克，就改变计划移师辽东城。
李世民的銮驾到达怀远镇，正好收到李积发来的攻克盖牟城捷报，龙颜大悦，立即下诏命：
“嘉奖唐军收复新城、玄菟城、盖牟城三城的有功将士；
诏命将盖牟城改名盖州。”
五月四日，李积率唐军主力近三万人在距离辽东城三十里处安营扎寨后，就不歇气地带着诸位将领到辽东城外侦查，看着辽东城城池是南北走向，城墙高耸，城池面积约11平方公里，西邻太子河，东有平均三米深的大辽泽，辽东城内五万余高丽守军正在严阵以待。不由地对诸位将军感叹道：
“诸位将军，辽东城系汉代辽东郡郡治──襄平城，三国时司马懿平辽击败公孙渊后，就放弃该城将汉人内迁，随后被高丽侵占，改名为辽东城。当年隋炀帝杨广率领十几万大军打不下辽东城，可见辽东城城防的坚固。诸位将军有何良策攻占辽东城？”
任城王李道宗献策道：
“孙子兵法云：强而示之以弱。明日我率领4000骑兵去辽东城外挑战，高句丽守军以为自己有五万多军队，以一对十，就有必胜的把握，一定会倾巢出动，我4000多骑兵故意边战边退以麻痹敌军，等我军快退到唐军军营时，大帅您率埋伏着的唐军步兵队伍出击，一举消灭敌军后，乘势占领辽东城。”
李道宗当即表示赞同。
次日上午，李道宗依计带领着4000多骑兵到辽东城下挑战，高丽守军看到唐军仅4000骑兵，就非常轻视，倾巢出动出城杀向李道宗骑兵团，李道宗不愧是大唐名将，充当敢死队队长，以一对十、毫无畏惧。李道宗率领大唐精锐骑兵都高举唐横刀杀向敌军，冲锋陷阵、几番进出如无人之地，一下子冲散了高丽军队阵形，但高丽凭借人多势众，稳住阵型，将这支唐军静静地包围在里面，誓将唐军彻底吃掉。约摸打了两个时辰，由于高丽士兵实在太多了，唐军骑兵杀掉一批，又源源不断地冲上来一批，渐渐地有些不支，唐军骑兵死伤数百人。
李道宗看到高丽军队已经上钩，就故意率军边打边撤，高丽军队尾随不放，就这样一直撤了三十里，突然战鼓声声，李积率领早已埋伏好的唐军主力从道路两侧杀出，高丽军队正在追击着唐骑兵，冷不防唐军步兵杀到面前，顿时军心大乱，被唐军斩首三千多人，剩余的高丽军队扭头向辽东城溃逃，唐军尾随其后猛追。
当高丽军队溃逃到辽东城时，因吊桥拥挤，溃兵们争相过桥，自相踩踏及唐军从背后追杀，又被斩首2000多人。当唐军追击到辽东城壕沟前，高丽败军已逃入城内，闭门不出。
李积抓住机会，率军将方圆300里内的高丽据点、要塞扫荡一空，将辽东城团团围住成一个孤城。
由于唐军连续战斗一个多月，全军上下已经是疲劳至极，李积命令唐军休整了七日。五月十三日，李积命令唐军向辽东城发起攻城，高丽守军拼死抵抗，唐军将塔楼、撞车、抛石机、重型连弩车等重型攻城设备全部用上，但高丽守军拼死抵抗，唐军多日连续不断地攻城都未奏效。
五月十二四日，李世民率四万唐军渡过辽水。在唐军通过行军桥后，李世民命令全军火速赶往辽东城；同时命令烧毁行军桥，表示唐军此次出征不破辽东城就马革裹尸的决心。
五月十七日，李世民、李积、张俭等会师辽东城。李世民下令拆除辽东城外由十几万具隋军尸骸筑成的京观后，下令继续全面进攻辽东城。
第一日，李世民亲自背土运土，带领几万名唐军在重装步兵、弓弩兵的掩护下，将辽东城护城河填埋掉。
第二日至第三日，李世民命令用数百尊抛石机，昼夜不停地将巨石砸向辽东城城墙，导致敌军根本不敢在城墙上行走。但是辽东城仍然是“城坚强”而未攻破。
五月二十日，李世民召集作战会议，商讨如何攻陷辽东城。
在会议上，诸位将军都对辽东城无计可施而默不作声。
李世民就问询袁天纲道：
“袁爱卿，你看如何破城？”
唐军一连进攻辽东城八日，都没有攻进去，袁天纲这几日也在思考攻城策略，这时候李世民问起，他将自己的想法说出来：
“圣上，辽东城虽然固若金汤，但是它有一个致命弱点。”
“什么弱点？” 李世民感兴趣地问道。
“辽东城是由夯土建成，它建筑在山上，虽然险峻，但是犯了兵家之大忌，三国时期的刘备攻打夷陵时，也是在山上安营扎寨，结果被东吴大将陆逊火烧连营。”
“火烧连营，此计甚妙！” 袁天纲的话点醒了李世民。
于是，李世民命令二万名唐军组成的林业砍伐大军，在辽东城山下砍伐树木，再源源不断地将刚砍伐的木材运送到辽东城的西南城楼外，一共囤积了十几万斤木材。
但是正在夏季，辽东城的上空一直刮着北风，风向正对着唐军大营。李世民忧虑地问袁天纲：
“万事俱备，只欠南风？”
袁天纲看着天空，掐指一算，告诉李世民道：
“圣上，不必担忧，明日午时，必刮南风！”
次日午时，正当李世民焦急地等待时，突然天空刮起了南风，
“起南风了！起南风了！” 唐军上下都欢呼起来。
李世民立即命令唐军将辽东城西南城楼下的木材堆点燃，火借风势瞬间大火冲天，整个辽东城弥漫在烟雾之下，城内乱成一团。约摸火烧了两个时辰，由于城墙是夯土的，很快西南城楼下的城墙被烧坍塌一小块。
李世民命令数百尊抛石机集中火力将石头砸向城墙塌陷的地方，不到一个时辰，硬生生砸出一个六米宽的缺口，李世民命令李道宗率领一千名敢死队从西南城墙塌方缺口处登城，高丽守军也立刻组织军队进行顽强的反扑，但还是被唐军敢死队强行登上城墙，将唐军战旗插到城墙上。
李世民一看唐军敢死队登上了辽东城城墙，于是就亲自擂响战鼓、发起总攻。数万唐军看到大唐皇帝亲自督战，军心大振！都高喊着：
“为隋军死难者报仇！”
就像打着鸡血一样，抡起唐横刀、嗷嗷叫地如潮水般涌进辽东城，辽东城陷落！这场战役，唐军杀敌1万精锐，俘虏4万，以雪隋军征高丽惨败的耻辱！
李世民诏命改辽东城为辽州，在辽东城丢失二百多年后，又重新纳入中华版图。
为此，李世民诗兴大发，写下一首诗《辽城望月》：
“玄菟月初明，澄辉照辽碣。
映云光渐隐，隔树花如缀。
魄满桂枝圆，轮亏镜彩缺。
临城却影散，带晕重围结。
驻跸俯丸都，伫观妖氛灭。”