显庆五年（660年）十二月十六日，诏以契苾何力为浿江道行军大总管，苏定方为辽东道行军大总管，刘伯英为平壤道行军大总管，程名振为镂方道总管，率兵分道进击高句丽。
龙朔元年（661年）一月二十二日，又以萧嗣业为夫馀道行军总管，率回纥等诸部兵进军平壤。四月二十九日，李治欲效仿父亲率军亲征，被武后谏阻，未能成行。五月二日，唐军作战部署发生重大变化，朝廷改“命左骁卫大将军、凉国公契苾何力为辽东道大总管，左武卫大将军、邢国公苏定方为平壤道大总管，兵部尚书、同中书门下三品（宰相）、乐安县公任雅相为浿江道大总管”，统率大军及诸胡兵“水陆分道并进”，以讨伐高句丽。
龙朔元年（661年）八月十一日，苏定方在浿江（今朝鲜大同江）大破高句丽军，屡战皆捷，于是进军包围平壤城（高句丽首都）。北线的陆路唐军进展却相对缓慢，高句丽权臣盖苏文遣其长子泉男生率精兵数万，固守鸭绿江，唐军无法渡江，双方一直僵持到九月底。天气开始寒冷，鸭绿江水结成坚冰，唐军在契苾何力的率领下踏冰而过，鼓噪奋击，高句丽军大溃，唐军追击数十里，斩首三万级，其余部众全都投降，泉男生仅以身免。正当辽东道行军大总管契苾何力率领的北路唐军顺利推进，将南下与苏定方会师平壤的时候，唐高宗下诏班师，于是撤军，很快漠北铁勒九姓发生了叛乱，回纥比粟毒与同罗、仆固进犯大唐边境。十月十一日，萧嗣业回国改任仙萼道行军总管并加入铁勒平叛大军。两人班师后，唐军南北合击高句丽的战略部署落空，战争陷入了持久战。
入冬后高句丽冰天雪地，气候及其它因素再次成为唐军进攻的羁绊。此前唐高宗让新罗王子金仁问回国“举兵相应”，同时敕令新罗共同向唐军输送军粮，但新罗军在翁山城（今韩国忠清南道境内）受阻，没有按期抵达高句丽进行军事支援。新罗军士不至，粮道不继，唐军开始出现粮草、冬衣的补给问题，进攻的最佳时机已不复存在。
龙朔二年（662年）初，沃沮道总管，蛮酋庞孝泰率岭南兵战于蛇水之上，“贼知其懦，袭破之”，与其子十三人皆战死。同月，浿江道行军大总管任雅相在军中病逝。孤军围城的苏定方没有办法得到友军的协同作战援助，又正逢大雪，攻克平壤已不可能，遂解除包围，于二月班师回国。
安集吐蕃
龙朔三年（663年）五月三十日，唐朝西北边境局势又告不安，吐蕃与吐谷浑互相攻伐。此后吐谷浑被打败，吐谷浑可汗慕容诺曷钵与弘化公主率领数千帐部众放弃国土投奔凉州，请求移居唐朝内地。唐高宗任命凉州都督郑仁泰为青海道行军大总管，率领右武卫将军独孤卿云、辛文陵等分别屯兵于凉州（今甘肃武威一带）和鄯州（今青海乐都一带），以防备吐蕃。六月二十六日，又任命左武卫大将军苏定方为安集大使，“节度诸军”，以定吐蕃、吐谷浑。年逾古稀的苏定方在西北边陲啸啸马鸣、瑟瑟寒风中，度过他戎马生涯的最后时刻。
乾封二年（667年），苏定方去世，终年七十六岁。唐高宗闻讯后悲伤痛惜，责备侍臣道：“苏定方对国家有功，按例应当褒奖封赠，卿等不说，致使死后荣宠未能及时颁下。言及于此，不禁哀伤悲叹。”于是立即下诏追赠苏定方为幽州都督，谥号为“庄”。
后世地位
神龙元年（705年）七月，唐廷追封前代功臣二十五家，苏定方便在名单之上，“所食实封，并依旧给”。
大历十四年（779年），朝廷评定前代功臣，“吏部请委史馆精加检勘，审定名迹”，“武德已来，实封陪葬配飨功臣，名迹崇高者十一人，第一等”，裴寂、刘文静、长孙无忌、李靖、张柬之、刘幽求等位列其中。苏定方则与李孝恭、尉迟敬德、屈突通、柴绍、秦叔宝等十四位凌烟阁开国元勋同列第二等二十四人之内。
“建中元年（780年）十二月敕。国初以来将相功臣。名迹崇高。功效明著者。宜差次分为二等”（分上等和次等）。经过评定，唐朝将开国以来三十四位功臣列为功臣上等，苏定方榜上有名。
贞元五年（789年）九月二十三日，朝廷诏令史官考定功绩，“第其前后”，以褚遂良、苏定方等二十七人，“图形于凌烟阁，以继国初功臣之像”，“俾后之来者，知元勋之不朽”。 这位声名显赫、军功卓著的唐初大将，得到了国家和历史给予的最高荣誉。
建中三年（782年），礼仪使颜真卿向唐德宗建议，追封古代名将六十四人，并为他们设庙享奠，当中就包括“右武卫大将军邢国公苏定方”。 及至宣和五年（1123年），宋室依照唐代惯例，为古代名将设庙，七十二位名将中亦包括苏定方。 在北宋年间成书的《十七史百将传》中，苏定方亦位列其中。
人物评价
总评
他是保卫家乡、先登陷阵的少年豪杰，是开疆拓土、老当益壮的一代名将；他是大军事家李靖麾下骁勇前锋，亦是唐高宗朝中杰出统帅；他是窦建德、刘黑闼旧部，天下安定后，又成为拱卫国土、平定四方的大唐军魂；他在演义中是受人唾骂的大反派，在中国历史上却又是当之无愧的民族英雄。
苏定方一生驰骋疆场数十年，北击颉利，西灭突厥，东平百济，南镇吐蕃，纵横万里，“前后灭三国，皆生擒其主”，西域诸国震慑降服。唐朝立国二百八十九年，其广袤疆域至高宗朝达到了巅峰，大唐的声威随之播及西北边隅和东方遐邦，既为中原的稳定繁荣奠定了基础，同时也促进了各民族的经济文化交流，对今天中国版图的形成作出了重要贡献。
苏定方不仅英勇盖世，且为人正直。王文度杀降谋财时，“唯定方一无所取”；在灭亡西突厥后，定方让“诸部各归所居，通道路，置邮驿，掩骸骨，问疾苦，画疆场，复生业，凡为沙钵罗所掠者，悉括还之，十姓安堵如故”；都曼投降时曾答应饶他性命，于是定方又信守诺言，顿首乞求唐高宗免其死罪，以保全信义。更难得的是，苏定方在人生的最后时光却依然被委以重任，“为诸将节度”，以七十多岁高龄默默镇守在吐谷浑战场的最前线。
苏定方善于提携后俊。早年遇上才德兼备的青年裴行俭时，直感叹“吾用兵，世无可教者，今子也贤”，于是倾囊相授，“尽以用兵奇术授行俭”。定方去世后，裴行俭也成为了唐高宗后期的著名将领，兼任礼部尚书、检校右卫大将军文武二职，史称“儒将之雄”。裴行俭后来多次平定东西突厥的叛乱，为大唐重置安西四镇。唐朝建中三年，师徒二人双双配享武庙，在代表古代武将至高荣耀的圣殿享受祭祀，在中华历史上前后辉映。
历代评价
考古发现
1900年于敦煌莫高窟藏经洞出土的吐蕃文历史文书，是吐蕃统治敦煌时期（786—848年）的遗物，也是现存最古老的纸质藏文文献。这批写卷用编年的形式记录了吐蕃王朝每年的大事，是研究吐蕃历史的第一手资料。敦煌吐蕃历史文书共存三件，被斯坦因和伯希和窃运海外，分别收藏在大英博物馆图书馆和巴黎国家图书馆。其中大事纪年部分记录了唐朝苏定方与吐蕃军在乌海的一场战争，为传世汉文和藏文史籍所不载。（乌海：今青海省玛多县冬给措纳湖，又名托索湖、黑海，海拔4100多米，位于著名的唐蕃古道上）
1940年，巴考、托马斯等著名藏学家以巴黎、伦敦收藏的敦煌吐蕃写卷整理编辑成《敦煌本吐蕃历史文书》一书。80年代后，大陆藏学泰斗王尧等人远赴巴黎、 伦敦二地校对了原卷，并参考了其他有关史料，对《敦煌本吐蕃历史文书》进行译注和考释，同时增补了一些内容，纠正了巴考书中的错误，这是国内第一部系统研究敦煌吐蕃历史文书的汉文译著。2000年，黄布凡、马德编著的 《敦煌藏文吐蕃史文献译注》在吸收最新研究成果的基础上对敦煌吐蕃文献作了进一步的考证和译释。相关译著的汉文翻译参考如下：
一、“及至羊年，（高宗显庆四年，己未，659年），赞普驻于‘札’之鹿苑，大论东赞前往吐谷浑(阿豺)。达延莽布支于乌海之‘东岱’处与唐朝苏定方交战。达延亦死，以八万之众败于一千。是为一年。” …
