劝说李世民先发制人，诛杀李建成与李元吉。
武德九年(626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。
贞观年间，长孙无忌历任左武侯大将军、吏部尚书、尚书右仆射、司空、司徒、侍中、中书令，封赵国公，在凌烟阁功臣中位列第一。他在立储之争时支持高宗，后被任为顾命大臣，授太尉、同中书门下三品。
永徽年间，长孙无忌在贞观律基础上主持修订唐律疏议，后反对高宗立武则天为皇后。
显庆四年，他被许敬宗诬陷，削爵流放黔州，最终自缢而死。上元年间平反。