讨伐王世充，奉命接管管州。郑国太子王玄应企图攻取管州，李世积将其击退，李世积又派郭孝恪劝降郑国荣州刺史魏陆，阳城、汴州也相继来降。郑国的郑州司兵沈悦请求献出虎牢关降唐，李世积夜间埋伏军队接应，占领了虎牢关，抓获了郑国的荆王王行本。又参与击擒窦建德、降伏王世充，唐军整军回朝，李渊论功行赏，李世民为上将，李世积为下将，与李世民等二十六人一同身穿金甲、乘着兵车到太庙去报捷。李盖也从洺州与裴矩等人一起入朝，李渊见到他们后非常高兴，恢复了李盖的官爵。窦建德旧部刘黑闼率军数万进逼宗城，李世积弃城逃往洺州，被刘黑闼追上，损失步军五千人，“仅以身免”。
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李世积在洺水之战中，击败刘黑闼部将高雅贤，李世民进击自称鲁王的徐圆朗，连取十余座城池，迫使江淮义军首领杜伏威入朝。李世民鉴于局势初定，留李世积与淮安王李神通、行军总管任瑰等继续讨伐徐圆朗，自己则班师回朝，经连续升迁，他官拜左监门大将军。之后，徐圆朗又占据兖州反叛，朝廷授李世积为河南道大总管，前往讨伐。不久后，李世积便擒获徐圆朗，斩其首级献给朝廷，兖州就此平定。李渊命李世积与赵郡王李孝恭、岭南道大使李靖、怀州总管黄君汉一同讨伐江淮义军首领辅公祏。
李孝恭、李靖率领水师沿长江而下，李世积率领步兵一万渡过淮水，攻取辅公祏占据的寿阳，直抵峡石，辅公祏的部将陈正通率兵两万屯驻在梁山，又派他的大将冯惠亮统帅水师三万，用锁链连接大战船，以阻断长江的航路。陈正通还在长江西岸构筑堡垒，分守水陆两路，以此抵御唐军，李靖等首先攻破陈正通、冯惠亮等人所驻的博山、青林等地，旋即进兵丹杨。辅公祏闻讯后大惊，企图率残部弃城东逃。李世积乘胜追击，在武康县将其斩杀，并分别捕杀其余党，江南自此平定。
李世民即位，拜李世积为并州都督，赐封邑九百户，李世积为避李世民之讳，又去除姓名中“世”字，改名为李积。李世民接受了代州都督张公瑾的建议，决定出击东突厥，命兵部尚书李靖为定襄道行军总管，以张公瑾为副，发起了强大的军事攻势。李积被授为通漠道行军大总管，与华州刺史柴绍、灵州大都督薛万彻等统率十几万军队，都接受李靖的统帅，诸将分道出击突厥。
李靖率精骑三千夜袭定襄，颉利可汗误判唐军兵力，仓促北撤至戈壁沙漠边缘，其部众多有叛离。李积从云中出发，在白道与颉利可汗军遭遇，唐军奋力冲杀，突厥溃不成军，颉利可汗战败后，向西逃往铁山，收集残部数万人，派使者求和，朝廷命鸿胪卿唐俭、将军安修仁前去安抚突厥。
李积与李靖会师，二人商议说：“颉利虽然战败，人马还多，如果走过沙漠，得到九姓铁勒的庇护，道路遥远险阻，就很难追上他们了。如今下诏派唐俭到那里去，突厥必定放松戒备，我们随后去袭击，这样就可以不战而平定贼寇了。”李靖握着手腕高兴地说：“您的这番话，就是韩信灭田横的策略啊。”于是一起定计，李靖率兵连夜出发，李积领军跟进。李靖行军至碛口，突厥四处溃逃。颉利率部众一万多人想逃过沙漠，被李积阻拦。突厥的大酋长率领自己的部落一起投降李积，李积在俘获五万多人后顺利回师。
晋王李治遥领并州大都督，朝廷授李积为金紫光禄大夫，代理并州大都督府长史。其后，李积因父丧离职，在不久又获起用，官复原职，改封为英国公，世袭蕲州刺史。当时，朝廷所封的世袭刺史都只是挂名，不到州郡就任，于是他又以并州大都督府长史的官职遥领太子左卫率。
李积在并州任职共十六年，令行禁止，颇为称职，李世民曾对侍臣说：“隋炀帝不能选贤安民，只知道筑长城来防备突厥，对世情的认知糊涂至此。朕现在委任李积在并州，就使突厥畏惧他的威名逃走。边塞安静，难道不是远远地胜过筑长城吗？”
李积被征调入朝，任兵部尚书，他尚未赴任，正遇上薛延陀真珠可汗派其子大度设联同同罗、仆骨、回纥、靺鞨、霫等部族，领军二十万南侵突厥俟利苾可汗阿史那·思摩。思摩率部众进入长城，退守朔州，并派使向唐朝告急。朝廷命营州都督张俭统率所部直逼薛延陀东境，李积被授为朔州道行军总管，率步卒六万、骑军一千二百人屯驻羽方，与灵州道行军总管李大亮、凉州道行军总管李袭誉等分兵抵御。
大度设率三万骑兵追击思摩不得，却遭逢李积所率唐军，大度设大惊，急忙自赤柯泺北撤。李积挑选所部及突厥的骑兵共六千人，穿越直道、白道川，在青山追上薛延陀军
