這些將領聽到李聽的條件后，來了精神，打下的地盤自己也有一份，表示愿意配合唐軍進攻龍泉府。
李聽布置得當后，留下少量部隊守備顯德府，率領兩萬多唐軍主力還有一萬多投降的渤海仆從軍，向龍泉府進攻。
經投降的渤海軍將領介紹，渤海國在龍泉府只有三萬左右的軍隊，根本不是唐軍的對手，那些渤海仆從軍熟悉地形，愿意充當先鋒，引導唐軍向龍泉府進發。
龍泉府比顯德府略大，但是經過威虎嶺和顯德府兩次戰役，渤海軍損失慘重，精銳喪失大半。關鍵的是，渤海軍內對唐軍產生了嚴重的畏懼心理，手中的弓箭根本打不過唐軍的火器。
唐軍到達龍泉府后，先圍城，然后向渤海國下達最后通牒，要求渤海國王退位，國家一分為五，選出親唐的王族或大臣任國王，而后全部投降唐朝，宣誓效忠，每年納貢。
面對生死存亡時刻，渤海國王大言義動搖了，在眾臣的勸諫下，決定接受唐軍的條件，投降唐軍。
渤海國投降以后，國王大言義被廢，其弟大明忠接任其中靠近唐朝的一個西部小國的國王。
前面投降的渤海將領莫閭赤被授予以龍泉府為中心的小國的國王，另一個投降的渤海將領薩明盧被任命為靠近東南方向的一個小國國王，渤海外兩個小王，李聽決定讓他們自己去爭取。
李聽在龍泉府投降的渤海軍中，選出兩個親唐的渤海將領，讓他們各帶1.5萬渤海軍，分別配五千人的唐軍，其中渤海軍在前方攻擊，唐軍在后方監督和支援。
兩支軍隊從龍泉府出發，末日厚率軍向西北的室韋（今嫩江流域）進發，寧布黎率軍向東北的黑水靺鞨（今黑龍江中下游）進發，誰能順利征服一個區域，誰就回來擔任國王。
李聽在派出兩路軍隊后，派人將廢掉的國王大言義及其家人送到平州，然后由平州派人送到長安，自己帶領剩下的平遼軍留在龍泉府，鎮守渤海國及其以北區域。
按照李聽的理解，這兩個渤海將領，手里有兵，又有唐軍支援，對于打室韋和黑水靺鞨應該沒有多大問題。
室韋和黑水靺鞨比渤海國更靠北，也更落后，基本處于部落割據狀態，兩支部隊出發后，開始東征西討，降服各個部落。
末日厚率軍在窮山惡水之間奔波了好幾個月，終于在元和9年冬季征服了室韋，回到渤海國順利擔任西北部的國王。
但是，寧布黎卻起了叛心，由于渤海國與黑水靺鞨同屬靺鞨族，他們沆瀣一氣，暗中勾結，突然聯手襲擊監督他們的5000唐軍。
5000唐軍不敵，損失了近1000多人，而后被迫南撤回龍泉府，向李聽報告情況。
李聽這次又被擺了一道，氣得要吐血，由于天氣太冷，無法用兵，只能等到來年春季再出兵。
元和十年2月下旬，李聽留下部分兵力守衛龍泉府，率領2萬人，沿著牡丹江往東北方向進發。
寧布黎聽說唐軍來討伐，明知不是對手，帶著部隊東躲西藏，一直逃到黑水下游。
李聽沿途抓了不少黑水靺鞨的部落首領，對他們嚴刑拷打，終于打聽到寧布黎所部的活動區域。
唐軍一路追擊，終于在4月上旬，將寧布黎所部逼到松花江與黑水的交匯處，此處三面鄰水，寧布黎所部無處可逃，被迫與唐軍對戰。
李聽下令，往死里打，唐軍也被這股反復無常的叛軍惹毛了，對他們猛烈進攻，瘋狂射擊。部隊損失過半后，寧布黎開始慌了，命人打白旗投降。
李聽想，你想投降就投降，想叛亂就叛亂，拿爺當猴耍呢，今日答應你投降，往后這股人如果再叛亂，自己就該撞墻死了。
李聽命令部隊，繼續進攻，不留活口，唐軍也對這股叛軍恨意十足，用更加密集的火力射擊這股叛軍，這些叛軍這時徹底怕了、悔了、晚了！
最終，除了少數人跳江游過松花江，逃出生天，包括寧布黎在內的一萬多叛軍，全部殞命在此，最后全部被扔進江里喂魚。
李聽認為，松花江與黑水的交匯處（今同江），是黑水靺鞨的中心地帶，留了3000兵力鎮守此處，而后率領其他部隊回到了龍泉府。
劉光顏率領鎮北軍與平遼軍分開以后，在遼河附近短暫停留，穩定新征服的區域，劉光顏待幽燕道掌控遼河以西的區域后，向東渡過遼河，進入安東都護府的轄區。
安東地區就是漢魏時期的遼東，公孫度曾在此地建立漢人政權，招徠了大量的漢人到此地居住，曾經一度興盛，在東北地區拓展了漢人勢力。
但是，在魏國大將司馬懿的征伐下，公孫政權被消滅，大量支持公孫政權的漢人被殺，其他漢人百姓被司馬懿強令遷往內地，遼東地區一下子就空虛了，鮮卑人、契丹人、靺鞨人、高句麗人趁虛而入，遼東成為各民族的雜居之地。
在唐朝征服遼東以前，這里是高句麗王國的區域，高句麗王國滅亡以后，其遺民仍在，成為遼東人數最多的民族，掀起過多次叛亂。
唐朝鎮壓叛亂后，設立了安東都護府，但是由于漢人數量不多，僅靠少量軍隊難以形成穩固的統治。
劉光顏帶領鎮北軍從遼河往東進發不久，到達遼東城，安東都護陳中師早已在此迎候。陳中師將劉光顏一行迎入遼東城，好生招待，酒足飯飽之后，陳中師開始劉光顏介紹遼東的情況。
陳中師說：“我朝在高宗皇帝時，曾經聯合新羅擊敗高句麗、百濟，在高句麗舊地設立安東都護府，后來新羅趁唐朝內亂，侵占了不少領土，安東都護府只能退到浿江以北地區。近些年朝廷勢力衰微，安東一帶的高句麗舊部蠢蠢欲動，我們安東都護府只能實際管理遼河以東的幾個小州，其他地區的高句麗人只是名義上向都護府臣服，實際上已經處于半獨立狀態。你們來的正好，可以把那些高句麗殘余勢力掃除干凈，再去打新羅。”
劉光顏也不客氣：“皇上一直牽掛邊疆地區，前面一直忙于處理藩鎮問題，后面又打吐蕃、回鶻，這次派我們鎮北軍過來，就是徹底解決東北的問題。你可以把幾個不服管的高句麗地方勢力告訴我，我自會率軍掃平，打完他們我再去打新羅。”
陳中師立即來了勁頭：“目前對我們威脅最大的，是原高句麗王族后裔高發武，此人利用原高句麗王族的身份，招降納叛，在高句麗舊都丸都城（今吉林集安）建立了勢力，他明面上臣服大唐，實際上聚集了好幾支高句麗勢力，約有兵力兩萬人，隨時可能反叛，必須要予以剪除。”
劉光顏說：“這個沒問題，你們安東都護府做好兩件事，一是給我們鎮北軍提供軍需物資，二是派出向導，帶我軍進攻高發武。”
鎮北軍在遼東城休整了兩天，補充了一下物資，就揮師向東，向丸都城進發，遼東城往東基本都是山路，頗為難行。
劉光顏認為高發武所部實力不強，決定由副將宋朝隱率領一萬人馬和重型武器向南，到達浿江北岸，做好進攻新羅的前期準備，自己率領兩萬人攜帶火槍、炸彈進攻高發武。
千山以東，基本就出了唐朝的實際控制區，當地的高句麗人好久沒有看到這么多唐軍來到這里，驚詫不已。
剛開始，還有些高句麗勢力不知深淺，竟敢伏擊、偷襲唐軍，被唐軍的火槍打的死傷慘重，后面其他高句麗勢力見到唐軍就躲，再也不敢與唐軍為敵。
約二十多天后，劉光顏率領唐軍達到丸都城，此地位于鴨綠江邊的一個小山上，山頂地勢平緩，周邊相對較陡，是一個較為險固的山城。劉光顏決定先在城下扎營，查看情況，派出人員要求高發武投降。
第二天，高發武的使者跟隨唐軍人員來到唐軍營中，高發武的使者表示，高發武一直在名義上服從大唐，從無叛心，不知唐軍為何來討伐，高發武愿意資助唐軍糧草財物，請求唐軍退去。
劉光顏說：“如果高發武沒有叛心，聚集那么多人在這里做什么，
丸都城屬于高句麗舊都，必須拆毀，高發武的軍隊也必須遣散，這樣我們就會退軍。”
使者回去以后，高發武自然不會答應這樣的條件，下令士兵登城，憑堅防守。劉光顏也覺得，如果不打一仗，高發武不會束手就擒，干脆直接消滅。
由于沒帶重武器，而且丸都城地勢險要，唐軍攻城就有點難度。劉光顏考慮了一番后，決定利用火力優勢，逐步向城墻推進，而后炸塌城墻，再從缺口處攻入。
確定戰術以后，劉光顏下令四面圍城，其中北、東、南三面只圍不打，將主攻放在城西。
劉光顏讓城西的唐軍借助盾牌，拿著火槍，向丸都城緩慢推進。當唐軍走到一半時，丸都城上的高句麗軍隊開始扔出滾木礌石，唐軍看到后，趕忙躲避，但是還是有一部分唐軍躲避不及，死傷了幾十人。
開局不利，劉光顏非常惱火，決定先消耗高句麗人的滾木礌石，再次派出小股唐軍帶著盾牌，分散向丸都城靠近。
高句麗人故伎重演，再次扔出滾木礌石，這次由于唐軍散的比較開，而且早有準備，很快的就找地方躲避。如此搞了一個回合，高句麗人的滾木礌石越來越少，發現自己中計了，停止了扔滾木礌石。
劉光顏重新組織兵力，把人馬分成三個波次，派出第一波先帶著盾牌、火槍向城墻靠近。
這次高句麗人看到唐軍多了一些，再次扔出滾木礌石，唐軍再次后退躲避，然后第二波接著上，高句麗人再扔，唐軍再退，再讓第三波上。
高句麗人發現，繼續這樣扔下去，自己的滾木礌石早晚會扔光，就不敢再扔，準備靠近了用弓箭射殺唐軍。
第三波唐軍帶著盾牌、火槍靠近城墻，劉光顏發現高句麗不再扔滾木礌石，心中大喜。
當唐軍靠近城墻時，有的高句麗軍開始用弓箭射擊唐軍，唐軍停止前進，躲在盾牌后面用火槍射擊高句麗軍。由于火槍比弓箭射擊距離遠，瞄準射擊更容易，對射了一陣，城上的高句麗軍死傷明顯比唐軍嚴重，又開始扔滾木礌石，但是數量明顯比以前少了。
第三波唐軍并不戀戰，看到高句麗人開始扔滾木礌石，就撤下去了，然后第一波唐軍接著上，還是按照原來的打法，走到離城墻一段距離時，就停止前進，躲在盾牌后面射擊城上的高句麗軍。
打了一陣，高句麗軍自然打不過唐軍，又是死傷一批，再次扔滾木礌石，但是比上一次更少。
第一波唐軍按照計劃再撤，第二波唐軍再上，繼續走到合適的距離，在盾牌后面射擊高句麗軍，高句麗的弓箭手哪里是唐軍火槍兵的對手，繼續死傷。
高句麗軍又想再次扔出滾木礌石，企圖嚇退唐軍，沒想到這次唐軍早有準備，集中火力射擊搬運滾木礌石的高句麗軍，那些高句麗軍被大量射殺，根本沒法把滾木礌石扔出去。
這個時候，第三波唐軍又推進上來，唐軍的火力更猛，打的高句麗軍無法抬頭。兩波唐軍朝著城墻緩慢推進，邊走邊射擊，不給高句麗還擊的機會。
唐軍到達丸都城西門附近后，第二波唐軍隊形不變，壓制城墻上的高句麗軍，第三波唐軍向城門附近集中，對著城門上發射密集的火力，西門城上的高句麗軍根本沒有露頭還擊的機會。
此時，第一波唐軍帶著火藥包跟了上來，在第三波唐軍的火力掩護下，在西門附近埋設大量的火藥，然后留出一段火繩，點燃火繩后，城門附近的唐軍快速后退。
城上的高句麗軍還不知道怎么回事，不知道唐軍為何突然撤退，探出頭來正看著，突然一聲巨響，城門附近的一段城墻完全被炸塌。
趁著城上的高句麗人死傷，唐軍立即殺回來，向西門附近的高句麗軍攻擊，這次只有少量的高句麗軍反擊，但是很快被唐軍的火力壓制下去。
唐軍到達西門后，一部分在外圍掩護，一部分越過垮塌的城墻向城內攻擊。沒有了城墻的保護，城內的高句麗軍不堪一擊，紛紛敗退，隨著入城的唐軍越來越多，大量高句麗軍被射殺，一部分高句麗軍被迫投降。
唐軍最后將殘余的高句麗軍逼入高發武的府中，在唐軍連續的猛攻下，高句麗人已經無力抵抗，高發武只得率領身邊僅存的一千多人投降。
由于高句麗軍的抵抗，鎮北軍死傷了兩百多人，還耗費了大量的彈藥，劉光顏非常惱火，直接將高發武和他身邊的幾個將領射殺，然后在城中進行大抓捕，總共抓了一萬多人的俘虜。
劉光顏派出兩千人，指定一個裨將帶領，將這一萬多俘虜押送到遼東城，交給陳中師，然后再從遼東城補充糧草彈藥，送到浿江的軍事前線。劉光顏則直接率領剩余主力，渡過鴨綠江，直奔唐朝和新羅的界河浿江。
鎮北軍副將宋朝隱已經率領另外一萬多人抵達浿江，和新羅軍對峙，劉光顏率軍抵達浿江時，宋朝隱報告劉光顏，新羅得到唐軍討伐的消息后，在浿江南岸集結了十萬大軍，阻止唐軍渡河。