此时的李世绩，正在远处观察双方交战的情况，选择驰援的最佳时刻。当他看到双方扭战在一起时，便认为时机已经到了，急忙率领大军勇猛的扑了过来。已经疲惫不堪的高句丽援军如何能够抵挡得住以逸待劳、生龙活虎的大唐军队呢？打了一会儿，便大败溃散奔逃，被杀1000多人。
在打败援军之后，李世绩便集中兵力进攻城池。
这时，唐太宗李世民也率领大军渡过辽水河，驻扎在马首山。他及时了解双方交战的情况，立即嘉奖了江夏王李道宗，破格提拔马文举为中郎将，处斩了临阵脱逃的张君乂，振奋了全军上下奋勇杀耽立功报效国家的士气。然后，他亲自率领几百名骑兵来到了辽东城下，与李世绩会面，商讨进攻城池的方法战略。
李世绩指挥大唐军队昼夜不停地进攻城池。高句丽听大唐军有抛车，可以将300多斤重的大石头抛出一里地之外，非常害怕，就在城上堆积木头作为战楼，以防止飞起来的石头打击进入。李世绩列出抛车发动石头，以击其城，墙上就是一个大坑，打在木头上就将其打击得粉碎。他又组织了士兵推动撞车猛撞其楼阁，所碰到的无不倾倒。但是高句丽守城的军队十分顽强，城楼撞坏了又及时的修理恢复，使大唐军队无法登上城头，进攻到城内。
攻城的战斗打到邻12，唐太宗李世民亲自率领铠甲骑兵一万多人与李世绩会合，将辽东城团团围住，喊杀声、锣鼓声震动地。他发现这样强攻不行，决定采取火攻，就像三国时周瑜、诸葛亮火烧赤壁曹操军队一样。