這場親征最終因寒冬來臨、糧草不濟，唐軍主動班師回朝，並未徹底平定高句麗，但鄭仁泰隨軍全程作戰，側翼排程、騎兵指揮有條不紊，還發掘了薛仁貴這員後世家喻戶曉的名將，回京之後，太宗論東征軍功，提拔鄭仁泰為檢校右武侯將軍，加封上柱國，不久轉任左屯衛將軍，晉封同安郡開國公，爵位達到人生頂峰，十六衛大將軍的權柄，也自此握在手中。
貞觀二十一年，大唐再度調兵征討高句麗，分海陸兩道進軍，李績擔任遼東道行軍大總管，鄭仁泰出任副大總管，統領營州兵馬，自新城道出兵夾擊高句麗，獨立指揮一路主力部隊，不再是從前輔助排程的配角，正式躋身大唐高階統帥行列。此時的鄭仁泰已經年過四十，常年駐守京城的沉澱，讓他行軍排程愈發老練穩重，遼東戰事穩步推進，持續壓制高句麗國力，為後來高宗時期徹底滅亡高句麗打下基礎。
貞觀二十三年，唐太宗李世民病逝於翠微宮，太子李治登基，改元永徽，即唐高宗。一朝天子一朝臣，許多貞觀舊將難免受到新君猜忌排擠，可鄭仁泰作為兩代帝王都信任的老將，地位絲毫沒有動搖。李治早年便知曉鄭仁泰玄武門護駕、常年宿衛宮城的忠心，登基之後，依舊重用這位開國元勳，將邊疆軍政大權逐步交付給他。
永徽四年，鄭仁泰離開駐守二十餘年的長安，外放靈州、鹽州二州都督，手握北疆邊防軍政大權，負責安撫、管控河套地區突厥降眾，抵禦漠北游牧部落南下侵擾。在靈鹽都督任上，他推行懷柔與守備並行的策略，一邊修繕邊境堡壘、操練邊防兵馬，一邊善待歸順大唐的游牧部族，公平處置各族糾紛，短短數年，河套邊境安定祥和，極少發生劫掠衝突，治理邊防的才能徹底展現出來。
顯慶二年，鄭仁泰奉調回京，升任右武衛大將軍，同時檢校右衛、右領兩大將軍事務，一人兼領三衛兵權，執掌長安大半禁軍，這般權柄，在永徽、顯慶年間的武將之中極為罕見，足以證明唐高宗對他毫無保留的信任。彼時開國老將程知節因西征西突厥失利遭到貶謫，朝堂宿將青黃不接，鄭仁泰資歷深厚、忠心可靠，自然成為高宗倚重的軍方核心人物。
顯慶三年，西北吐蕃勢力日漸強盛，屢次侵擾涼州、甘州邊境，西北防線壓力劇增，朝廷急需威望足夠、能鎮住邊疆的大將坐鎮。高宗下詔，任命鄭仁泰為涼州都督，兼任青海道行軍大總管，全權掌管涼、甘、肅、伊、瓜、沙六州所有軍政事務，統籌河西全線邊防，防備吐蕃東進。
抵達涼州之後，鄭仁泰立刻巡查河西所有關隘要塞，加固城防，整編邊防軍，劃分各鎮守軍防區，同時打通西域糧草運輸通道，保障前線補給。數次小規模吐蕃入侵，都被他提前佈置的伏兵擊潰，吐蕃見河西防守嚴密，不敢大舉進犯，西北邊境獲得數年安穩。
龍朔元年冬，漠北迴紇酋長婆閏病逝，其侄子比粟毒奪取部族大權，聯合同羅、僕固等鐵勒九姓十餘萬部眾，公然背叛大唐，大舉南下劫掠邊境州縣，北疆烽火再起，警報接連送入長安朝堂。鐵勒部族游牧於天山以北，騎兵機動性極強，人數眾多，聲勢浩大，普通將領難以壓制，唐高宗思來想去，選定時年六十二歲、身經百戰的鄭仁泰為主帥，開啟北征鐵勒之戰。
朝廷正式下詔：以左武衛大將軍鄭仁泰為鐵勒道行軍大總管，燕然都護劉審禮為副手，左武衛將軍薛仁貴為副大總管，鴻臚卿蕭嗣業分領仙萼道兵馬，多路唐軍協同北伐，全力平定鐵勒叛亂。此番出征，薛仁貴再次歸於鄭仁泰麾下，昔日遼東伯樂與千里馬，並肩北上天山，開啟一段先大勝、後慘敗的爭議戰事。
龍朔二年春三月，唐軍主力抵達天山，鐵勒九姓十餘萬騎兵早已佔據天山要道，依仗人多勢眾，主動派遣數十名勇士到唐軍營前叫陣挑釁，氣焰囂張。薛仁貴主動請戰，單騎出營，連發三箭，當場射殺三名鐵勒勇士，剩餘敵軍驚駭萬分，當場下馬請降，唐軍趁勢全軍出擊，大破鐵勒主力十餘萬，俘虜數萬，鐵勒各部士氣徹底崩盤，這便是後世家喻戶曉的“三箭定天山”經典戰事，大勝之後，鄭仁泰與薛仁貴威名震動漠北，鐵勒各部畏懼唐軍兵鋒，紛紛遣使投降。
大戰告捷，大量鐵勒部眾放下兵器歸降，這本該是安撫招撫、穩定漠北的最佳時機，可一生沉穩的鄭仁泰，在此刻犯下了致命的決策失誤。多年征戰積攢的戰功，花甲之年獨掌大軍的權柄，加上大勝之後心態浮躁，他沒有采納部下安撫降眾的建議，反倒認為鐵勒部族反覆無常，今日投降明日必反，大肆下令誅殺已經歸降的俘虜，縱兵掠奪部族牲畜、輜重財物，高壓手段激起剩餘鐵勒部眾強烈怨恨，大量原本打算歸順的部族四散逃亡，躲入大漠深處，局勢再度失控。
此時唐軍斥候傳來情報：逃竄的鐵勒叛軍攜帶全部輜重、家眷藏匿在大漠深處仙萼河附近，糧草物資堆積如山。鄭仁泰貪圖敵軍囤積的大量物資，急於徹底剿滅殘餘叛軍，不顧軍中糧草儲備不足、大漠腹地氣候惡劣、缺乏嚮導的多重隱患，貿然挑選一萬四千精銳輕騎，捨棄步兵與糧草輜重，倍道疾馳深入戈壁荒漠，追擊逃亡的鐵勒部眾。
這支孤軍橫穿茫茫大磧，連續數日在無人荒漠中行軍，一路不見叛軍蹤跡，所謂的輜重情報，實為鐵勒誘敵之計。等鄭仁泰察覺中計，想要率軍折返邊塞之時，軍中糧草已經徹底耗盡，更雪上加霜的是，大漠突降百年難遇的特大暴雪，氣溫驟降至零下，士兵缺少禦寒棉衣，戰馬大批凍餓倒斃，絕境之中，悲劇不斷上演。
戰馬吃光之後，士兵只能宰殺坐騎充飢，馬匹全部耗盡，斷糧、嚴寒、暴雪三重絕境壓在一萬四千唐軍身上，士兵飢寒交迫，大量傷兵、體弱士兵倒斃路途，甚至出現人自相食的慘烈景象，甲冑兵器沿路丟棄，大軍徹底失去作戰能力，往日威風凜凜的精銳部隊，淪為戈壁之中掙扎求生的流民隊伍。
歷經九死一生，這支孤軍勉強退回大唐邊塞，清點人數，一萬四千精銳出發，活著回來的僅僅剩餘八百人，絕大多數將士永遠長眠在漫天風雪的漠北大漠之中，這是大唐開國以來，前所未有的慘重敗績，舉國震動，朝堂文武百官譁然。
大軍回朝之後，司憲大夫楊德裔立刻上奏彈劾鄭仁泰，彈劾文書措辭嚴厲，直指其兩大重罪：第一，擅自誅殺歸降部族，逼反殘餘鐵勒民眾，致使邊境戰亂綿延；第二，貪求敵軍輜重，貿然孤軍深入大漠，不計士卒安危，糧草不繼遭遇暴雪，全軍近乎覆沒，骸骨遮蔽戈壁荒原，丟棄軍械物資全部資敵，自大唐立國，從未有如此慘重的喪敗，請求將鄭仁泰、薛仁貴一同交付法司嚴加審判，依法治罪。
彈劾文書擺在唐高宗御案之上，朝堂之上一片問責之聲，不少官員主張重罰主帥，削去所有官爵流放邊疆。可李治心中清楚鄭仁泰一生功績：晉陽起兵追隨李氏、玄武門捨命護駕、常年宿衛宮闈、鎮守河套河西安定邊疆，東征遼東、天山大破十萬鐵勒主力，一生為國征戰六十餘年，勞苦功高，此次慘敗雖罪責重大，但前功足以抵罪，最終下詔，允許二人以過往功勳抵消罪責，免於牢獄刑罰，不做貶黜流放的重罰，僅做口頭訓誡，稍作敲打，依舊保留官職兵權。
這場天山戰事，徹底給鄭仁泰的戎馬生涯留下無法抹去的汙點，後世提及他，必然繞不開大漠喪師八千餘人的慘劇。客觀而論，不能僅憑一場慘敗全盤否定其人：前期天山正面決戰大破十餘萬鐵勒主力，徹底摧毀鐵勒九姓反叛根基，消除北疆長久隱患，這份大勝的功績真實存在；慘敗源於主帥輕敵貪利、處置降眾失當，是戰略決策層面的嚴重失誤，功過各佔一半，譭譽參半，這也是鄭仁泰區別於初唐其他名將最鮮明的特點——沒有完美無瑕的戰神光環，有勇有忠，卻也有性格短板與致命失誤，是一個有血有肉、優缺點並存的真實武將。
經此一役，鄭仁泰心境深受打擊，常年征戰落下的舊傷、大漠風雪留下的寒症一併爆發，身體狀態一日不如一日，但高宗依舊信任他的邊防能力，並未閒置，不久再次任命他為青海道行軍大總管，重返涼州河西防線，繼續統籌兵力防禦吐蕃，駐守西北邊疆。
重回涼州都督府，鄭仁泰收斂此前浮躁心性，行事謹慎剋制，不再貿然主動出兵，專心修繕邊防、儲備糧草、安撫河西各族百姓，對待邊疆游牧部族採取溫和安撫政策，吸取鐵勒之戰濫殺降眾的慘痛教訓，數年之間，河西防線平穩安定，沒有爆發大規模衝突。
只是大漠慘敗帶來的心理鬱結，加上常年邊關風霜侵蝕，他的身體早已油盡燈枯，病痛常年纏身，難以根治。
龍朔三年（663）十一月，涼州都督府官舍之內，六十四歲的鄭仁泰重病不起，多方名醫診治，湯藥全然無效，戎馬一生的老將，走到了生命終點。彌留之際，他回顧自己六十三年人生：少年亂世擇明主，十六歲北上太原追隨李世民，從晉陽起兵、平定四方割據，到玄武門拼死擁立太宗登基，數十年宿衛皇宮，東征高句麗、北破鐵勒、西御吐蕃，踏遍大唐萬里疆場，有功震朝野之時，也有全軍覆沒的終身遺憾，一生無愧於李氏兩代帝王，唯一愧疚，便是漠北陣亡的上萬將士。
當月，鄭仁泰於涼州官署病逝，訃告快馬傳至長安，唐高宗李治聽聞噩耗，心中悲痛不已，念及這位伴隨大唐崛起、兩代帝王心腹元勳一生勞苦，下旨追贈使持節、代州都督，賜予諡號“襄”，依照唐朝諡法，“襄”字代表闢地有德、甲冑有勞，精準概括鄭仁泰一生征戰拓邊、勞苦戍守邊疆的生平，給予極高蓋棺評價。
除此之外，高宗下了一道特殊恩典，特許鄭仁泰靈柩送回關中，陪葬唐太宗昭陵。昭陵是李世民的帝陵，陪葬墓只允許開國元勳、心腹重臣、皇室至親安葬，是大唐武將至高無上的身後榮耀，哪怕鄭仁泰曾犯下天山喪師的重大過錯，李治依舊感念他數十年從龍舊功，准許陪葬昭陵，這份恩寵，足以證明帝王心中，從未磨滅他早年立下的定鼎大功。
麟德元年（664），鄭仁泰正式下葬昭陵陪葬墓區，朝廷撥付專項資金修建墓葬，規格遠超普通郡公標準。1971年這座古墓被考古工作者發掘，出土文物與墓葬形制，直觀印證他身後享有的特殊恩典：墓葬全長五十三米，內設十個壁龕，存放隨葬器物；墓中破例使用石槨安葬，《唐六典》明文規定，尋常官員墓葬嚴禁使用石質棺槨，唯有帝王特批恩典才可破例，整個昭陵已發掘陪葬墓中，擁有石槨的寥寥無幾，足見唐高宗對他的特殊優待。
墓中共出土五百餘件珍貴文物，其中成套彩繪釉陶武官俑、騎兵俑、鎧甲俑工藝精美，造型還原初唐軍隊裝備樣貌，如今收藏於國家博物館、昭陵博物館，成為研究初唐軍制、服飾、甲冑的核心實物史料；出土的完整墓誌銘，青石質正方形志石，邊長七十二釐米，楷書三十七行，滿行三十七字，三千餘字完整記述鄭仁泰完整家世、一生所有戰事、官職升遷、榮辱經歷，完美填補新舊唐書不為其立傳的史料空白，讓這位沉寂千年的名將完整重現世間。
翻閱墓誌全文，行文客觀公允，既記錄玄武門元勳、平定四方、大破鐵勒的赫赫功勳，也不迴避天山孤軍覆沒的重大敗績，不刻意粉飾遮掩，真實還原人物全貌。後世很多讀者疑惑，同為玄武門九大功臣，尉遲敬德、侯君集、張公謹等人均在兩唐書擁有獨立傳記，唯獨鄭仁泰無傳，究其根源，有三層客觀原因。
第一，貞觀年間名將陣容過於豪華，李靖、李績、尉遲恭、程知節、秦瓊、侯君集光芒萬丈，鄭仁泰前半生常年駐守皇宮，少有獨立統帥大軍對外征伐的機會，軍功記錄相對單薄，史官優先為戰績更突出的頂級名將立傳，他只能附於《長孫無忌傳》末尾，寥寥一筆帶過。
。狀慘的沒覆軍全染渲肆大免避，平生整完泰仁鄭述敘整完不，果結事戰錄記略簡僅，載記關相化淡意刻史正，面威軍唐大損有，敗慘的銳餘萬亡陣場一，點汙的墨著多過願不史是，績敗大重的師喪山天年二朔龍，二第
。日天見重才土出銘誌墓到直，年千沒埋，格資傳單棄捨被此因，事故強的傳立立獨缺，中準標材選史在，折轉大重化劇戲無外戰一山天除，穩平於過平生，黨結無、腐貪無、逆謀無，君忠生一泰仁鄭而，局結殊特有各臣功門武玄餘其，道修門閉年晚德敬遲尉，殺誅被反謀乾承李與參期後集君侯，三第
