李积上表请求免除自己仆射的职务，李治还是命他以开府仪同三司之职执掌政事。李积被册拜为司空，李治命令为他画像，还亲自为画像作序，李治又下诏，特许李积乘小马出入三省，每日由一名小官奉命迎送。

李治欲废王皇后，立昭仪武氏为皇后，怕朝中大臣反对，于是召李积与长孙无忌、于志宁、褚遂良等顾命大臣前往商议，李积称病不到，而褚遂良坚决反对“废王立武”。事后，李治暗中询问李积说：“朕打算立武昭仪为皇后，褚遂良固执己见，以为不可。褚遂良是顾命大臣，这件事应该怎么办呢？”李积回答说：“这是陛下的家事，何必更问外人！”李治自此坚定了“废王立武”的决心，而李积也因此得到了李治和武皇后的信任。

李积跟从李治到东都洛阳，在路上得病，李治亲自慰问。李治东封泰山，封李积为封禅大使，随驾前行，途中在滑州住宿，李积的姐姐很早守寡，住在李积的旧宅，武皇后亲临她的住所慰问，赐其衣服，封她为东平郡君，李积又坠马伤脚，李治亲自下问，把自己乘坐的马赐给他。

渊盖苏文病死，其子泉男生继掌国事，泉男生的兄弟泉男建、泉男产趁机发难，驱逐泉男生，泉男生投奔唐朝，恳求唐朝发兵相助。李治先遣右骁卫大将军契苾何力为辽东道安抚大使，右金吾卫将军庞同善、营州都督高侃为行军总管，以泉男生之子泉献诚为乡导，一同进讨高句丽。李治任命李积为辽东道行军大总管兼安抚大使，司列少常伯郝处俊担任副手，庞同善、契苾何力等一并受李积调遣。

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李积首先攻拔为“高丽西边要害”的新城，并趁势挥军进击，连陷十六座城。泉男建派兵袭击尚在新城的庞同善、高侃，被左武卫将军薛仁贵击败，高侃进军至金山，交战不利，高丽趁胜进攻，薛仁贵引兵迎击，大破高丽军，斩首五万余级，攻陷南苏、木底、苍岩三城，与泉男生会师。

薛仁贵攻陷高丽重镇扶余城，扶余川等四十余城陆续投降，泉男建又派兵五万救援扶余城，与李积在薛贺水遭遇。李积合军交战，大败高丽军，斩获三万余人，乘胜攻取大行城，与唐军各部会合。李积率唐军进至鸭绿栅，奋力击破高丽军，追击二百里，攻陷辰夷城，高丽各城都惊骇不安，许多人离城逃走，前来向唐朝投降的人络绎不绝。契苾何力率先抵达平壤城下，李积随即领兵来到，对平壤形成合围之势。

经过一个多月等战斗，高丽王高藏派泉男产等人持白幡投降，李积以礼相待，而泉男建仍闭门抵抗。不久后，僧人信诚开门接纳唐军，李积趁势进攻，一举攻陷平壤，擒获泉男建。至此，高丽灭亡，此战，唐朝共获五部、一百七十六座城、六十九万七千户口，将其划分九个都督府、四十二州、一百县，设安东都护府统管高丽旧地。

李积凯旋而归后，李治让李积先将高藏和泉男建等人先在昭陵举行献俘仪式。献俘礼仪结束后，李积“具军容，奏凯歌”，整军入京，在太庙再次举行献俘仪式。李治亲临含元殿，举行受俘仪式，李治在南郊祭天，以宣告平定高丽，李积担任亚献。

李积被加授为太子太师，增赐封邑连同以前的有一千一百户。这一年，李积卧病，李治封李积的弟弟、晋州刺史李弼为司卫正卿，让他能够在京城照看兄长的病。李积病逝，享年七十六岁，李治闻讯后为之悲哭，下令辍朝七日，册赠李积为太尉、扬州大都督，赐谥号“贞武”，又赐给棺木，允其陪葬于昭陵，命司平太常伯杨日方监护丧事。

到下葬当日，李治亲临未央宫故城，登上宫楼为他送葬，望着灵车痛哭，太子李弘跟随李治送葬，悲痛到极点，使随从都深受感动。李治命令百官送葬到未央旧城西北，所筑的坟依西汉名将卫青、霍去病的先例为准，仿照阴山、铁山及乌德鞬山建筑，以此表彰李积击败突厥、薛延陀的功劳。

李积之孙李敬业，起兵讨伐武则天，武则天于是追削李积等人的官爵，将其掘墓砍棺，恢复本姓徐氏。李积与开府仪同三司张行成、扬州大都督许敬宗、尚书右仆射马周一同配享唐高宗庙廷。唐中宗李显复位，下诏恢复李积的官爵，并重新为他起坟改葬。

李积成为武成王庙中配享的十位历代名将之一，同时代被列入“武庙十哲”的只有卫国公李靖一人而已。唐德宗评定前代功臣，李积等二十四人被定为第一等，朝廷敕：“国初以来将相功臣。名迹崇高。功效明着者。宜差次分为二等”，经过评定，李积等三十四人被定为功臣上等。