武德二年（619年）九月，河北军阀窦建德乘擒杀宇文化及的威势，大败李世勣，俘淮安王李神通、李盖（李世勣之父）等。李世勣因其父被俘，被迫投降窦建德，被任命为左骁卫将军，镇守黎阳。私下里李世勣与好兄弟郭孝恪商量，两人认为窦建德武夫之勇，仍一心归唐。郭孝恪还指出：“我们刚跟着窦氏混，动则见疑。不如先纳投名状博取信任，然后干掉老窦回长安。”李世绩乃于11月攻陷获嘉（今河南新乡获嘉县），献于窦建德，窦建德因而亲信于他。
    武德三年（620年）正月，窦建德妻兄曹旦在河南大肆掠夺骚扰，引起众多归附者不满。李世绩联络驻守孟津的将领李文相，结为兄弟，共谋宰老窦归大唐。不料中途有变，李世勣没听郭孝恪速攻猛打的建议，失去先机，哥俩率数十骑投唐。
    千钧一发挽大局
    唐灭山西军阀刘武周后，武德三年（620年）七月，高祖命秦王李世民东征占据洛阳的王世充。高手出招，先拉一派再打一派，李世民一边围攻洛阳，一边遣使与窦建德结盟。但老窦很聪明，唇亡齿寒嘛，反而把压箱底的家伙掏出来，于三月亲率军十余万西援洛阳，要一举干掉时年21岁的天才大将李世民。窦军连克管州（今郑州）、荥阳等地，进屯成皋（今荥阳汜水镇）之东。而突厥颉利可汗为策应王世充，再次率军南犯并州、石州(今山西离石)等地，威胁唐首都长安。
    当时的情况十分危险，洛阳帝都城坚，唐军久攻未下。二百里外，窦军十几万随时进攻。突厥又在北方牵制着驻扎山西的太子李建成及长安军队，使之无法援助。在这种情况下，不少将领以军疲敌锐，腹背受敌为由，建议撤退后再做打算。千钧一发之际，郭孝恪及时上谒李世民，指出：“王世充已无粮乏兵，是瓮中之鳖。窦建德远助残虐，粮运阻绝，是自投罗网的蠢货。请主公固守武牢关（今荥阳汜水镇），屯军汜水，随机应变，转机就在顷刻。”李世民听从了他的建议，命齐王李元吉等继续围困洛阳，亲率精兵进驻虎牢。五月，窦建德军大败，李世民随即回师洛阳，迫使王世充出降。
    洛阳、虎牢之战，是唐统一战争中最关键一战，唐军取得“一举两克”的重大胜利，为唐朝统一大业奠定了基础。郭孝恪也因出众的谋略为李世民所青睐，在召开庆功会时，李世民对诸将说：“孝恪策擒贼，王长先下漕，功固在诸君右。”并迁郭孝恪上柱国（军事高级统帅，唐时为荣誉称号）。
    此后的十余年间，郭孝恪历任贝州、赵州（今均属河北）、江州（今江西九江）、泾州（今甘肃泾川）刺史，在任颇有政绩，入京为太府少卿（掌管市场和国库的二把手），转左骁卫将军（皇帝护卫部队统领）。
    圣君点将营北疆
    大唐帝国疆土越大，李世民越感问题丛生。尤其是北部草原的突厥汗国，催人忧心。贞观四年（公元630年），大将李靖灭东突厥。但尚有西突厥占据着西域（今新疆）及以西的广袤地盘，阻断中国与西方的商路连接。强大的突厥铁骑随时能从西域而下，冲击甘、陕，袭击长安。
    基于西域的重要国家安全地位，唐太宗经过近二十年的国力蓄积，试图重新经营这一地区。可贞观十六年（642年），唐太宗环顾周围，叹息竟无大将可遣：此时屈突通、殷开山、秦叔宝、段志玄等纷纷病故；大将李靖已71岁，风烛残年；57岁的尉迟敬德一身伤病，请求回家养老；53岁的程咬金担任守卫都城重责；李世勣驻守山西前线；刚刚平定西域高昌国的侯君集涉嫌谋反……
    经营西域，筚路蓝缕，稍有波动都可能影响全国局势，非大勇大智的百战之将不足以为之。李世民将目光望向了郭孝恪，随即郭孝恪拜凉州（今甘肃武威）都督。八月又授金紫光禄大夫、安西（今新疆库车）都护、西州（今新疆吐鲁番）刺史。西州原为高昌国（640年，唐将侯君集灭麴氏高昌国）旧都，镇兵以及迁徙流放的犯人都居住在此，较为混杂，与中原因大漠相隔，音信隔绝已久。郭孝恪到任后，推诚抚御，尽得当地民心。