绩服重孝，与从前僚属旧臣将士隆重地把李密安葬于黎山之南，坟高七仞，以君礼葬之，朝野闻讯都赞叹他的忠义。

不久，窦建德军擒斩弑隋炀帝的宇文化及，乘胜又大败李世绩，并以其父李盖为人质，令李世绩仍守黎阳。转年，李世绩趁机又归唐，有人劝窦建德杀掉李盖，可建德也是位磊落大夫，表示说“李世绩忠臣，各为其主”，派人送李盖归唐。

李世绩后来的人生一帆风顺，先是协同太宗连平王世充、窦建德、刘黑闼、徐圆朗、辅公袥等人，功勋赫赫。

其间，还有一个插曲可述。单雄信投王世充后，极受宠遇，也很卖命。太宗攻洛阳时，有一次与单雄信相遇，单雄信号为“飞将”，艺高胆大，援枪直刺太宗，好几次差点追及把这位秦王捅落马下。

王世充投降后，太宗把与唐军苦战的十几名大将列入处决名单，李世绩泣请，以自己家财爵位换这位老哥们儿一命，由于先前差点儿被单雄信杀掉，太宗坚执不允。李世绩无奈，与单雄信诀于大狱。

单雄信埋怨他说：“我固知汝不办事”

李世绩闻言大哭，用刀从腿上割下一块肉给单雄信吃掉，说“本来想随仁兄一起死，但谁来照顾你的家人呢。此肉随兄入地下，以表我拳拳真情。”

单雄信死后，李世绩如家人般照顾他的妻子儿女，确是千古义气的典范。

武德六年，又跟随赵郡王李孝恭和李靖讨伐辅公祏。入唐后，唐高祖李渊说李世绩是“纯臣”，赐他姓李。先封曹国公，后封英国公。

在历史上，李世绩曾先后参与平定东。突厥、薛延陀、高句丽的战役，武德八年突厥进犯，李世绩奉命讨伐。贞观三年大破突厥，俘五万人而归。

贞观十五年，拜李世绩为兵部尚书，还未赴京上任，薛延陀部又侵扰李思摩部。李世绩获唐廷委任为朔州行军总管，率轻骑三千追薛延陀于青山，大败敌师，斩名王一人，俘五万多人。

贞观十八年，李世绩又跟从太宗伐高句丽，攻破辽东、白崖等数城。贞观二十年，又率军大破薛延陀部，平定碛北。

高宗乾封元年，高句丽权臣盖苏文病死，其子男生继掌国事，另外两个儿子男建、男产发难，驱逐男生。男生奔唐朝，恳求大唐发兵相助。

高宗任李世绩为辽东道行军大总管，率军征高句丽。乾封二年二月，李世绩大军渡辽水，攻拨高句丽重城新城。李世绩一路连捷，直抵平壤城南扎下大营，男建不断派兵迎战，皆大败而还。不久，城内人投降唐军为内应，大开城门，唐兵四面纵火，烧毁城门，男建窘急，自杀未死。平壤城最终被攻下，唐朝共获一百七十六城，六十九万七千户。至此高句丽国灭，分其地置九个都督府，四十一州，一百县，设安东都护府统管整个高句丽旧地。