，一即位就把李绩召回，升官为尚书左仆射（相当与丞相），与长孙无忌、楮遂良同参机密。永徽四年，李治升李世绩为司空。为表示对李的器重，李治命人在凌烟阁为李世绩重新绘像，并亲自为该像题字。为避太宗偏讳，于是只名绩。
李治即位后无时不想消灭高丽，为父亲挽回面子，乾封元年，高丽的强权人物盖苏文病故，三个儿子为争领导权大打出手，大儿子泉男生失败后投奔了唐朝，请唐派兵平乱，还愿为前驱，当了把“高奸”。乾封元年十一月，李治以李绩为帅，出兵征讨高丽，副将有薛仁贵、契必何力等人，都是当时最优秀的将领。二年二月，唐军各部汇集于辽东，开始猛攻高丽。总章元年夏，李绩进围平壤城。平壤是高丽首都，城池非常坚固，当年高丽以劣势兵力死守平壤，使隋军无数勇士丧生城下而平壤始终不破。到李世绩围城时情况已与当年大不一样，高丽王高藏原本就是泉家的傀儡，当权的泉家又分成三派互相倾轧，高丽上层已是人心浮动，毫无士气可言。刚围城一个月，高丽王和泉家老三泉男产就派人到李绩军中要求投降，泉家老二男建倒是对得起盖苏文，打算坚持到底，但无奈手下将领叛变开了城门，唐军一拥而入，平壤于总章元年九月陷落，泉男建自杀未遂当了俘虏。高丽就此亡国，其国土成为唐朝的州县。回朝后，李治亲自告捷于太庙，加封李绩为太子太师。
总章二年（从高丽凯旋后次年）十一月，李绩突然得了重病，卧床不起。李治对他得病一事非常关心，专门下旨召李绩子弟在外者全部回京侍疾，又多次送医送药，但李绩已经厌倦了人世，除皇帝赐的药不得不吃以外，拒绝接受任何医疗。家人子弟求他就医，李绩答复道，“我山东田夫耳，位三公，年逾八十，非命乎！生死系天，宁就医求活耶？”李绩一生于戎马中取富贵，完整地经历了隋唐之际由治世到乱世再恢复治世这个过程，见证了无数的兴衰成败，到此时当年的主君、同僚、敌人已经全部先他而去，作为一个老人，他对生死应该已经很看得开了。就在当月，
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