李绩入朝，文瓘与同僚二人为他饯行，李绩分别赠给那二个同僚佩刀与玉带，而对文瓘却一无所赠，文瓘不解其意，心中疑惑，李绩遂解释说：“子无为嫌。若某，冗豫少决，故赠以刀，欲其果于断；某放诞少检，故赠以带，俾其守约束。若子才，无施不可，焉用赠？”因极力引荐，高宗朝张文瓘位至宰相。
贞观三年(629)十一月，突厥再次入寇河西。诏命兵部尚书李靖为定襄道行军大总管，率十几万大军出击(参见唐灭东突厥之战)，以李绩为通汉道行军总管，从云中进军，在白道与突厥颉利可汗兵遭遇，大败突厥兵。颉利可汗派使者请和，太宗派鸿胪卿唐俭出使突厥。李绩与李靖一起议论军事，认为颉利可汗虽然兵败，人马尚多，若进入碛中，与九姓互保，道路险阻，难以追及。今唐俭在那里，防备松弛，我军若迅速出击，突厥必不战而降。这一策略正和李靖不谋而合，他高兴地说：“公之此言，乃韩信灭田横之策也。”果然，李靖袭击颉利可汗牙帐，颉利可汗欲逃入碛中，李绩早已屯军碛口。颉利可汗前进受阻，后有追兵，其大酋长率其部落一并投降了李绩。李绩俘虏五万多人，胜利而归。
李绩镇守并州凡十六年，令行禁止，四夷宾服，号为称职。贞观十五年(641)，征为兵部尚书，封英国公。唐太宗深有感触地说：“隋炀帝不解精选贤良，镇抚边境，惟远筑长城，广屯将士，以备突厥，而情识之惑，一至于此。朕今委任李绩于并州，遂得突厥畏威远遁，塞垣安静，岂不胜数千里长城耶？”
李绩尚未赴京就任，薛延陀真珠可汗乘唐太宗君臣东封泰山之机，纠合同罗、回纥等族军队二十万，穿过漠南，袭击已归降的突厥，俟利苾可汗抵御不住，率部落进入长城内，派使者告急。太宗立即调兵遣将，反击薛延陀。新任兵部尚书的李绩为朔州道行军总管，率步兵六万，骑兵二千屯守羽方。
十二月，薛延陀可汗之子大度设率三万骑兵逼近长城，适遇李绩率唐军赶到。大度设见尘埃冲天，兵威强盛，望而生畏
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