武德元年（公元618年）十一月，
窦建德攻克冀州（治信都，今河北冀县），声威大盛，十二月，窦建德又率10万人进攻
幽州（治今天津蓟县）。
罗艺准备出击交战时，薛万均建议说：“我们寡不敌众，如果出门迎战，必定百战百败，应当以计取之。可令羸兵弱马阻水背城布阵来引诱他，看眼下的形势，敌人必渡水来交战。万均请求率领精锐骑兵埋伏于城左，待其半数人马渡河后进攻他，一定能大败窦军。”罗艺听从薛万均之计以老弱病残应敌，由薛万均率领精锐骑兵埋伏于城左，大败窦军。
武德三年（公元620年）十月，窦建德再次率领二十万人马再次攻打幽州。窦建德兵攻上城墙，薛家两兄弟率敢死队百人从地道出城，迂回到窦军背后，突然袭击，窦军仓皇而逃，二人共斩首一千余级。
武德四年（公元621年）七月，
窦建德于长安被斩，其部将
刘黑闼起兵反唐，唐命
李神通为山东道行台右仆射，负责征讨刘黑闼。九月，李艺（即罗艺，赐姓李）率军与李神通会师，唐又征调邢、洺、相、魏、恒、赵等州兵共五万余人，与刘黑闼军战于饶阳城南。
唐军列阵十余里，刘黑闼人少，沿河堤成单行阵以拒唐军。时值风雪交加，李神通乘风进击，不久风向逆转，刘黑闼趁势反击，唐军大败，兵马军资损失三分之二。当时
李艺率军居阵西，进破刘黑闼部将高雅贤，追逐数里，得知大军失利，遂退保藁城。刘黑闼进击，李艺军败，其将薛万均、薛万彻在这次作战中被俘，被刘黑闼截发驱回，兄弟二人逃回后，李艺也率军撤回
幽州。这一战，堪称兄弟二人奇耻大辱。
李世民平定
刘黑闼后，召薛万均为右二护军。
唐太宗贞观初年（公元634年），迁殿中少监。
柴绍讨
梁师都，薛万均为副将。离
朔方数十里，
突厥兵突然出现，薛万均与薛万彻兄弟横刀立马，斩其骁将，击退突厥军。
唐军包围梁师都，众将认为城池坚固不宜强攻，独薛万均认为敌军士气低落，应该一鼓作气攻城。果然四月二十六日，梁师都堂弟梁洛仁杀梁师都，举城投降。突厥始终不敢出兵援救。唐以其地置夏州，为反击突厥准备了前进基地。薛万均被封为左屯卫将军。
贞观九年（公元635年）十二月，
李靖率军出击吐谷浑，薛万均以行军副总管随行。大军到达青海，薛家兄弟各领百骑走在前面，与敌军相遇，薛万均独自冲入敌阵，无人敢挡，与诸将杀敌数千，勇冠三军。薛万彻单骑杀入敌军，无人敢挡。
唐军紧随其后，斩首数千级。唐军进至赤水源（今青海兴海东南），薛万均、薛万彻率轻骑先行，被吐谷浑军围困，二人的战马都被杀死，负枪伤步战，唐军战死十之六七。就在此时，唐将
契苾何力率数百骑兵赶到，奋力死战，救出了薛万均和薛万彻。此战，唐军共俘斩名王数十人，获其杂畜二十万计。唐军经
积石山（今青海
阿尼玛卿山）、
河源（
黄河源）迫至且末（今属新疆），大败吐谷浑军。
伏允可汗在走投无路的绝境中自缢身亡，吐谷浑成为唐朝属国。薛万均迁左屯卫大将军。
贞观十三年（公元639年），
唐太宗以
高昌国隔断西域朝贡为理由，派
侯君集带领数万大军出征，薛万均担任先锋，一路势如破竹，高奏凯歌，高昌国王鞠智盛在
唐军的强大攻势下被迫投降，鞠氏高昌从此成为历史名词，大唐在高昌旧地设置了
安西都护府，天山以南的
龟兹（今新疆库车）、疏勒（今新疆喀什）、于阗（在今新疆和田）、焉耆（在今新疆焉耆）四镇都在安西都护府的管辖之下。薛万均以平灭高昌的战功进封潞国公，但很快他就受到朝臣的弹劾，说他与高昌女子私通。薛万均不服，要同高昌女子去大理寺与告发者对辩。唐太宗想要追究他的罪过，
魏征予以劝谏，“君使臣以礼，臣事君以忠，让薛万均与一个亡国女子对质风流韵事，即使事情属实，也是小事而已，如果只是传言，会产生很不好的影响”，唐太宗听从其言，不再理会这件事。
贞观十五年（公元641年），
唐太宗游览芙蓉园，薛万均负责警卫，因为清理宫苑的闲杂人员不彻底，因此获罪入狱。薛万均气愤难当，忧愤而死。唐太宗惊而悼之，令其陪葬于
昭陵，以示恩宠。
后来唐太宗在宴会上赏赐群臣貘皮，叫到
薛万彻的时候却喊成了“薛万均”，唐太宗心有所感，“薛万均是朕的勋旧之臣，突然叫出他的名字，莫非是死者地下有知，也想得到这赏赐”，就让人烧掉一张貘皮，给薛万均“寄去”，在座众人无不感叹一代帝王的至情至性。
薛万彻（？－652年），唐朝名将，随从薛万均一同自
幽州降唐，征讨
梁师都有功，授车骑将军、武安县公，随从
罗艺四处转战其他起义军，投入太子李建成幕府，受其赏识。参与谋立荆王
李元景为帝，被
长孙无忌所杀。