贞观十九年（公元645年）三月三十日，按照李积制定的作战计划，营州都督张俭率一万轻骑兵作为佯攻部队，从怀远镇抵达辽水后修建浮桥，摆出要渡过辽水、浩浩荡荡地杀向新城的进攻姿态。大唐征高丽的战争正式开场。
张俭的军队在行军过程中，旌旗招展、鼓声震天、威武雄壮、气势如虹。这段时间，高丽一方早就侦查到大唐军队在辽水西岸怀远镇集结的情报，但尚不清楚唐军主攻方向。现在通过斥候的侦查，高丽人认为唐军的主攻方向是新城，于是高丽从辽东城、玄菟城、盖牟城三城抽调了3万多人，前往新城准备内外合围，给唐军当头一棒。可新城的高丽守军们苦等了数日天，他们未见到唐军的踪影，高丽守将大吃一惊，已侦查到的唐军主力怎么会消失呢？
高丽人没有想到的是，唐军压根就没想到进攻新城，张俭所率唐军在距离新城仅十余里时，突然掉头南下，直接向玄菟城进军。
四月一日，按照作战计划，英国公李积派遣任城王李道宗率领二万大唐陆军主力从怀远镇出发，大摇大摆地沿着张俭先锋部队的行军路线行军，摆出一副杀向新城的战斗姿态，到达怀远镇后，高丽斥候也突然发现唐军主力奇迹般的消失了，不知所踪。原来唐军主力突然沿着当年隋炀帝征高丽时修建的甬道北上。
这个甬道是从营州直入辽东故郡“玄菟郡”的故道，隋炀帝征高丽时，派大量民夫在这条故道的基础上，依靠地形，用夯土及木栅栏在两侧筑墙而成、没有顶棚的行军道，主要功能：一是防御骑兵袭扰；二是供运粮车辆往来。甬道路程自营州沿白狼水，至怀远镇，直通向北部的通定镇，全长数百余里。
唐军到达通定镇后，悄悄地渡过辽水，强攻辽水东岸的千里长城防线，在长城上的高丽的守军本就不多，突然遭遇唐军的进攻，猝不及防，一下子被唐军占领、渡过长城，大踏步地突袭到玄菟城（今辽宁沈阳东陵）西部。
这时候，张俭见调虎离山之计成功后，就放弃了在辽水搭建的浮桥，率领一万佯攻军队从新城南下，迂回急行军百余里，兵临玄菟城下。四月四日，两军会师后，将玄菟城团团围住。
高丽北上援军抵达新城后发现上了当，急忙回撤救援玄菟城，却被埋伏在玄菟城北部的张俭兵团与李道宗兵团“围点打援”。当高丽援军日夜兼程赶到距玄菟城仅三十里处的棋盘山时，突然鼓声阵阵，道路两边的唐军弓箭手万箭齐发，高丽士兵们都纷纷中箭倒地，就在高丽援军惊慌失措、首尾不相顾时，二万唐军从两侧山谷里杀出，唐军是以逸待劳，战斗力爆棚，而高丽援军是疲于奔命，在山谷间道路上来不及将部队展开，仓促应战。
因此只用了一天的时间，唐军就把高丽援军杀得大败，当场被斩杀五千余人，残军败将有一部分向新城方向逃窜；还有一部分逃向河对面的盖牟城。张俭乘胜率领唐军去进攻新城。
新城、玄菟城在浑河（今辽宁沈阳）西岸，盖牟城在浑河东岸，三座城市相距仅百十里，呈三角形、掎角之势，互为支援。
四月六日，因玄菟城被抽调兵力支援辽东，仅有1万余人。趁着城内敌方兵力空虚的空档，李道宗率领2万唐军猛攻玄菟城。而在浑河两岸的新城与盖牟城也因自身难保而爱莫能助，只能眼睁睁地看着唐军围攻玄菟城。
姜行本率领着工程部队将塔楼、抛石机、重型连弩车等重型武器装备运到玄菟城下，唐军用数百尊抛石机和数十个重型连弩向城墙上守军进行打击，三十公斤的石弹砸到城墙上就是一个大坑；连发的巨大的连弩如遮天蔽日般射向城墙及城内，一支巨弩就能连贯二三人。城内守军都无处躲避，被砸得惨叫连天。
这时，眼看着玄菟城就要被攻破，城内守军故伎重演，向城外的唐军喊话，想让唐军停止攻城，他们好出城投降。袁天纲对李道宗说道：
“隋炀帝征高丽时，辽东城曾在破城之际诈降，前线将领不敢做主，只好一面命令士兵停止进攻，一面派信使飞报隋炀帝。而隋炀帝此时并不在辽东前线，信使快马加鞭也要好几天才能把军情送达，隋炀帝接到军情后还要召集群臣商讨纳降事宜，再把决议送到前线，经前后这么一折腾，就花掉三十天左右的时间。高丽人趁机修复城防、养精蓄锐，等双方就纳降事宜谈得差不多了，就突然反水，于是隋军被迫继续攻城。因此，‘将在外君命有所不受！’ 请不接受高丽守军诈降，继续攻城。”
于是李道宗拒绝诈降，命令唐军把塔楼拉倒城墙边，指挥唐军登上塔楼，放下吊桥，唐军们手持唐横刀跳上城墙，见到高丽守军就是猛砍，守军拼死抵抗，不断地有双方士兵从城墙上掉下来。
这时，唐军推着撞车、头顶着盾牌，冒着城上守军的箭雨与石头，拼命向城门撞去，在撞车不断地撞击下，城门开始摇摇欲坠，最后终于被撞开。
李道宗一看城门被撞开了，当即拔出唐横刀，高喊着：
“大唐将士们，建功立业的机会到了，跟着我冲！”
说完，手挥着唐横刀率先冲向城门，唐军们一看王爷都亲自带头冲锋，顿时跟打着鸡血般呐喊着，争先恐后地冲进城内。城内守军在巷子里拼死巷战，但毕竟唐军人数呈碾压优势，次日中午，城内守军渐渐抵抗声衰弱下来，有三千余守军被杀，七千多守军投降，唐军全部占领玄菟城。玄菟城这个汉代辽东三郡之一的故土，在丢失二百余年后又重新归回归中华版图。
李道宗安排唐军士兵打扫战场、看守城池及俘虏，次日，他留下二千人留守玄菟城，率领唐军北上，与张俭兵团会师去进攻新城。