六月二十二日，大唐陆、海军主力分别从白岩城、卑沙城南下、北上，会师在安市城外15里处，由李世民亲率4万余唐军主力准备在安市城（今辽宁海城）与高丽进行战略决战。渊盖苏文接到前线急报后，急忙派遣高丽大将高延寿、高惠真率领高句丽、靺鞨联军合计15万人前来救援安市城，加上安市城守军民2万余人，高丽共计17万人；而进攻安市城的唐军主力只有4万余人，只有高句丽军队的四分之一，一场以少敌多的安市城决战正式打响。
当日夜晚，李世民在唐军大营召开了战前会议。
李世民说道：
“这次高句丽援军15万驰援安市城。如果朕是高丽主帅高延寿，朕将提出上中下三策：
一、上策：就是高丽军队固守安市城不出、坚壁清野。同时，派靺鞨骑兵专门在唐军的后方截唐军的粮道，不要十日，唐军粮草用尽，必然会无奈撤退，高丽再趁机尾随在唐军后面掩杀，唐军必败。
二、中策：就是高丽保存实力、放弃安市城，带领城中军队撤退，穿过大辽泽，在第三道防线重点防守、抵抗。
三、下策：放弃安市城城池坚固的优势，而选择与擅长打运动战的唐军在城外决战，高丽军队虽然人数四倍于唐军，但仍然必败。
以朕观察，高延寿必然会用下策，那就必被朕所擒。朕决定采取‘围点打援’的谋略灭掉高丽援军。”
说罢，李世民神情严肃地用目光扫视了一下与会人员，说道：
“朕的作战计划是：
一是围而不攻。张亮率领1万唐军包围安市城，防止城内敌军出城救援城外援军。
二是诱敌深入。当高丽、靺鞨联军到达安市城四十里处时，阿史那社尔率一千突厥骑兵去诱敌，只准败不准胜，随后佯装败退，把高丽援军引到安市城东南边八里、一个叫首山的地方，这里两边是山，长40余里，最适合打伏击战；
三是以逸待劳。李积率领1.5万步骑唐军在首山西岭埋伏，以逸待劳，当高丽援军追击进首山的山谷里，就立即正面攻击敌军。
四是关门打狗。长孙无忌率领1.1万骑兵从首山北面绕到高丽援军后面，一举切断高句丽援军的退路。
五是围而歼之。朕亲率4000步骑兵登上首山的北山坡上，敌军一旦被包围，朕就立即号令唐军以鼓角为号，一齐出击、围而歼之。”
众将都高呼：“诺！”
正如李世民所料，高丽援军大营里，高延寿也在大营里召集众将开军事会议。这时候的高丽人跟一千多年后的韩国人一样，自认为能三次打败隋炀帝所率领的百万隋军，自信心爆棚，认为自己兵力四倍于唐军，在人数上占有绝对优势，可以一战大败唐军。就在高丽军队上下盲目乐观时，确有一个人保持着冷静的头脑，此人就是高丽一谋士高正义！他冷静地说：
“我听说隋朝天下大乱、群雄逐鹿中原。大唐天子李世民是一代战神，天纵神武，率领着三千玄甲军纵横天下，一统中华。自从李世民当上皇帝后，灭突厥、吐谷浑、高昌国、威服吐蕃，四夷威服。现在大唐天子亲率唐军征我高丽，其锋不可当。为今之计，上策为固守安市城不出战，与唐军打起持久战，同时派遣一支奇兵专门断唐军的粮道，不过十日，唐军的粮草必尽，求战不得，只能撤军，这就是不战而取胜的策略。”
看来是英雄所见略同，高正义与李世民的上策都不谋而合。然而，高延寿并没有采纳高正义的建议，认为自己亲率15万大军，可以直接碾压唐军，而是采取李世民所预料的下策，率领15万大军在安市城外寻找唐军主力决战。
当高丽、靺鞨联军距离安市城四十里时，依照作战计划，阿史那社尔率一千突厥骑兵跑到高丽援军面前诱敌，高延寿果然中计，派遣高丽军队直接杀过来，想一口吃掉这一千突厥骑兵。阿史那设尔看到敌军已经上钩了，就佯装打不过而假装败退，把敌人引到安市城外东南方首山的唐军包围圈里。而高延寿不知是计，仍率领高丽大军摆成一字长蛇阵，追击到六山山谷里，绵延四十里，锣鼓喧天、震天动地。
突然，李积率领1.5万步骑唐军，从首山西岭杀出，正面硬刚敌军。高延寿一看中了埋伏，急忙命令高丽军队赶紧往山谷外撤退。
这时，李世民亲率4000步骑兵正在首山的北山坡上，他看到高丽军队如此声势浩大，虽然他久经沙场，但竟然面容有惧色，此时此刻，隋炀帝三征高丽惨败的情形浮现到他脑海里。心想：“如果这次征高丽失败，不但一世英名丧尽，大唐帝国将重蹈隋朝的覆辙。”
就在这时，长孙无忌率领的1.1万骑兵已经截断高丽军阵后，并切断高丽军的退路。
15万高丽军队被包围在首山40余里的山谷中，慌乱、拥挤成一团。李世民在首山的北山上，看到高丽军队已经被合围、军心大乱，立即抛开头脑里的杂念，抓住这稍纵即逝的有利战机，果断下令以鼓角为号，唐军一齐出击。他则一马当先、亲率4000步骑兵扑向敌军。唐军们一看皇帝亲自手提唐横刀冲锋在前、杀入敌阵，一下子就备受鼓舞，像打着鸡血一样向敌军杀去。
突然，唐军中一位骑着白马、身穿白袍、手持画天戟方天画戟，身挎两张弓的一年青小将，大喊着冲进15万敌阵中，一马当先、所向无敌，连斩高丽数名将领，吓得高丽军队都望风披靡。唐军乘势跟随在白袍人身后，对一字长蛇阵的高丽军队打头、截尾、剖腹、击背，高丽军队就阵脚大乱、如雪崩般崩溃，结果被三面合围起来的唐军斩首2万余级。
高延寿、高惠真急忙收拢溃散的军队，还想继续对抗唐军，但是唐军的包围圈越来越紧，前有唐军阻击、后面退路已断，高丽兵与靺鞨兵都军心大乱、无心再战，像狂奔山谷中的羚羊群一样，漫山遍野地逃跑，慌忙中坠崖而亡有数万人，将首山的悬崖谷底都填满了。
两天后，高延寿、高惠真手下的士兵仅剩下3.7万余人，无心恋战，只好向唐军投降。