辅佐秦王李世民。此后，长孙无忌追随李世民东征西讨，累迁至比部郎中，封上党县公，成为李世民的天策府重要成员。
唐朝统一过程中，李世民功勋卓著，威胁到李建成的太子地位，引起李建成不安。李建成勾结齐王李元吉，数次加害李世民，李世民的幕僚都非常忧惧。
房玄龄对长孙无忌道：“如今两方已经结怨，一旦祸患暗发，不只是秦王府难以收拾，便是国家存亡都成问题。不如劝说秦王行周公之举，安定家国！”
长孙无忌则劝说言道：“我早就有这想法了，只是一直不敢说，你的话正和我的心意！”于是，长孙无忌与房玄龄、杜如晦一同劝说李世民先发制人，诛杀李建成与李元吉。
武德九年，李建成向李渊进谗，将房玄龄、杜如晦逐出秦王府，李世民的心腹幕僚只剩长孙无忌。长孙无忌坚决支持房玄龄政变的动议，与舅父高士廉和秦王府部将侯君集、尉迟敬德等人日夜劝说李世民，让他诛杀太子与齐王。
李世民仍犹豫不决。这时，李建成以反击突厥侵犯为名，推荐李元吉督军北征，又抽调秦王府精兵猛将，并计划在饯行时伏杀李世民。李世民得知，遂决定发动兵变，命长孙无忌将房玄龄、杜如晦秘密召回，一同谋划。
同年六月，李世民率长孙无忌、尉迟敬德、侯君集、张公谨、刘师立、公孙武达、独孤彦云、杜君绰、郑仁泰、李孟尝等人埋伏在玄武门，成功诛杀李建成、李元吉。不久，唐高祖册立李世民为皇太子，任命长孙无忌为太子左庶子。
八月，李世民继位，是为唐太宗，册妻子长孙氏为皇后。长孙无忌改任左武侯大将军。后来，罗艺在幽州反唐，长孙无忌又担任行军总管，征讨罗艺。
而在此时，长孙无忌改任吏部尚书，并被定为功臣第一，进封齐国公，食实封一千三百户。他既是勋臣，又是国戚，深受太宗礼遇，能够出入太宗卧室。同年七月，唐太宗又拜长孙无忌为尚书右仆射。
当时，有人进密表劝谏，认为长孙无忌权宠过盛。唐太宗将密表出示给长孙无忌，以表明君臣无猜，又召集群臣，表示对无忌的信任。但长孙无忌担心富贵至极会带来灾祸，一再恳请辞去相位，长孙皇后也为之极力劝说。唐太宗无奈，只得改任长孙无忌为开府仪同三司。
于是，唐太宗册拜长孙无忌为司空。长孙无忌上表推辞，被驳回后，又通过高士廉再次提出请求，认为以外戚担任三公，会招致“圣主私亲”的非议。唐太宗仍旧不许，表示授官是以才德为标准。长孙无忌又亲自上表辞让。
唐太宗批复道：“我为秦王时，你就是我的得力心腹，在你的辅佐下，我才得以廓清宇内，君临天下。以你的功绩、才干、声望，完全能胜任三公之职，你就不要再推辞了！”
时间日复一日，唐太宗封长孙无忌、房玄龄等十四位功臣为世袭刺史。长孙无忌被封为赵州刺史，改封赵国公。他认为实行分封有害无