多弥可汗再次发兵进犯夏州，唐太宗诏令李道宗征发朔、并、汾、箕、岚、代、忻、蔚、云9州兵马镇守朔州；右卫大将军、代州都督薛万彻、左骁卫大将军阿史那社尔，征发胜、夏、银、绥、丹、延、鄜、坊、石、隰十州兵马镇守胜州；胜州都督宋君明、左武侯将军薛孤吴，征发灵、原、宁、盐、庆5州兵马镇守灵州；又命执失思力征发灵、胜二州的突厥兵，与李道宗等人相互呼应，薛延陀军入塞，见唐军已有防备，未敢贸然进攻。
侯君集击破高昌返回后，心中颇为怨恨不满，道宗曾从容上奏说：“君集智小而言大，必为祸首。”唐太宗问为什么说他必会谋反，李道宗回答说：“见其忌嫉而矜其功勋，耻其位在房玄龄与李靖之下，官为尚书，而常怀郁郁不平之气。”唐太宗说：“君集确实有功，也有才干，我怎会吝惜爵位呢？只是还未轮到他。你不应该随意猜测，让人猜疑自危。”不久君集谋反事发，唐太宗笑着说：“正如你所推测的那样。”
唐太宗出兵征讨高句丽，先派营州都督张俭率轻骑渡过辽河侦察形势，张俭畏敌，不敢深入其境。道宗奏请率百骑前往，唐太宗表示同意，与他商讨返回的日期，他说：“臣请用二十天奔走于路，留驻十天观览山川形势，然后还见天子。”随即喂饱战马备好行装，沿南山深入贼地，观察险易地势，测度扎营布阵便利之处。将要返回时，恰遇高丽军队绝断归路，道宗另走小路，按期谒见唐太宗。唐太宗说：“孟贲、夏育之勇何以过此！”赐予黄金五十斤，绢帛一千匹。
李积采用疑兵之计，秘密北上直趋甬道，从通定镇渡过辽水，到达玄菟，高丽大骇，各城皆闭门自守。李道宗率数千人马到达新城，派折冲都尉曹三良率十余骑兵逼近城门，守军不敢出战，李道宗与李积合兵攻打盖牟城，攻取该城，俘虏二万余人，获粮食十余万石。
唐军进至辽东城下，高句丽步骑兵四万余人救援，李道宗率四千骑兵迎击，军中士兵都认为众寡悬殊，不如挖深濠沟加高壁垒坚守，等候大军到来时在战。李道宗说：“不可，贼人赴急远来，其兵必定疲惫，我军定能一鼓而摧。不把贼寇留待君父扫除，我等既为前军，就应当扫清道路以迎大驾，还等待什么呢？”李积也认为有道理，遂与高丽军展开激战，行军总管张君乂接战不利，败退。李道宗收集散兵，登高观察敌阵，见高丽军阵形混乱，遂率领几十名骁勇骑兵冲击敌阵，左进右出，右进左出。李积又领兵助阵，大败高丽军，斩首千余级。唐太宗御驾渡过辽水，驻扎在马首山，对李道宗大为赞赏，赐奴婢四十人。
唐军进至安市城时，唐军久攻不下，李道宗率部在安市城东南筑土山，逼近城墙，士卒轮番作战，每日达六七次，唐军用冲车和发射石块，撞开城墙垛，城中随即立木栅栏以堵塞缺口。李道宗脚部受伤，太宗亲自为他针灸，并赐给他御膳。唐军昼夜不停地加筑土山，共用60余日，土山顶离城只有几丈，可以向下俯瞰城内。此时，李道宗让果毅都尉傅伏爱领兵驻守在山顶，以防备高丽兵突袭，不巧的是土山坍毁，压向城墙，城墙也崩塌，正赶上傅伏爱擅离职守，使数百名高丽兵从城墙缺口处出来迎战，乘混乱之机抢占了土山，挖沟堑守护。唐太宗大怒，将傅伏爱斩首示众，命诸将攻城，但唐军连攻三天未能夺回。李道宗光着脚到唐太宗的麾旗下请罪，唐太宗说：“你的罪按律应当处死，但朕认为汉武帝杀掉王恢，不如秦穆公赦免孟明视，况且你有破盖牟、辽东的功劳，所以特赦你。”
李道宗被任命为瀚海道安抚大使，与其他几路唐军一起讨伐薛延陀。薛延陀的多弥可汗见势不妙，逃到阿史德时健部落，却被回纥兵围攻，多弥可汗被杀。部众拥立咄摩支为伊特勿失可汗，伊特勿失可汗向大唐朝廷上书请和，要求驻留在郁督军山北麓，唐太宗表示同意，派李积和崔敦礼前往安抚，李积发现伊特勿失可汗并非真心归附，而是暗中图谋不轨，就和李道宗一起，在郁督军山北痛击薛延陀，斩首五千余级，俘虏薛延陀男女三万余人。李道宗渡过沙漠，追击薛延陀，与数万余众激战，斩首千余级，追出了两百里，灭薛延陀之战取得了完胜，咄摩支被带回京城献俘。
李道宗因身体不适请居闲职，转为太常卿，加授特进，增实封并前共六百户。房遗爱、薛万彻、柴令武因谋反被杀，房遗爱、高阳公主谋反一案牵连了众多的皇亲国戚，其中包括长孙无忌一向忌惮的吴王李恪，还有与长孙无忌、褚遂良有宿怨的江夏郡王李道宗。在这场血淋淋的权利斗争中，驸马都尉房遗爱、薛万彻、柴令武被斩首示众，荆王李元景、吴王李恪、巴陵公主、高阳公主都被赐死，李道宗持身再正，也逃不出报复式的清洗，被流放象州，在路上就病逝了，享年五十四岁。权利斗争周而复始，武则天得势，长孙无忌、褚遂良重蹈李道宗的命运，李道宗又被追复爵邑。
李道宗，晚年颇为好学，敬慕贤士，从不以势凌人，在唐初宗室之中，只有他和河间郡王李孝恭最受时人的称赞。有一件事情足以证明他的心胸，李世民大摆酒宴，尉迟敬德也在邀请之列，尉迟敬德发现有人的席位排在自己之上，大为不悦。任城王李道宗出面劝解，尉迟敬德一拳打在他的脸上，差点把李道宗的一只眼睛打瞎，但是李道宗并未与尉迟敬德计较。李世民非常生气，事后严厉警告尉迟敬德，“我以前一直认为刘邦对功臣做得太绝，自己当上皇帝后，希望君臣能够和睦相处。但是看到你如此无法无天，才知道当年刘邦杀韩信，实在是迫不得已。这次我可以原谅你，你以后一定要自我约束，不要日后追悔不及”。
