新罗国，但这正像客人一样，万一发生了意外之事，后悔还来得及吗？百济的扶余丰对鬼室福信心怀猜忌，貌合神离，势必支撑不了多久。我们应当坚守待变，届时再乘乱消灭他们。目前还不可轻举妄动。”

刘仁轨的谏奏不但让高宗满意，众臣也交口称赞，事态的发展果如其料，在时机成熟后，刘仁轨先发制人，派人侦察鬼室福信修建的真岘城军情。随后，他引新罗军乘夜袭击真岘城，悄悄攀墙，至拂晓破城而入，唐军自此“遂通新罗运粮之路”。

百济王扶余丰猜疑鬼室福信争权，将其杀死，他又闻唐军骤至，急遣使者到倭国、高句丽求援。倭国将领毛野稚子等率二万七千人攻新罗，朝廷令右威卫将军孙仁师率军渡过渤海到来，与刘仁轨等会师，唐军士气因而大振。众将讨论进攻目标，有人说：“加林城是水陆交通要道，何不首先攻打它？”刘仁轨说：“加林城地势险阻守卫坚固，进攻就会大量伤亡，守卫也会旷日持久。周留城是敌巢，敌军头目都集聚在那里。如果攻克周留城，其余各城自然就好夺取了。”

按照唐军部属，孙仁师、刘仁愿及新罗国王金法敏于是率领陆军进发，刘仁轨则与杜爽、扶余隆率水军沿着熊津、白江进军，与陆军会合。刘仁轨在白江口遇上了倭军，唐军四战皆捷，焚烧倭国战船四百艘，一时间“烟焰涨天，海水皆赤”，倭军大败。扶余丰脱身逃走，所佩宝剑被缴获。百济王子扶余忠胜、扶余忠志率领自己的兵众及倭国、耽罗国使投降，只有主帅迟受信占据的任存城还未被攻克。

苏定方灭亡百济，主将沙吒相如、黑齿常之纠集溃卒，凭借险要地势接应鬼室福信，白江口之战后，二人投降唐军。刘仁轨展示诚意，让他们攻取任存城来证明自己的真诚，又为其补充军械、粮草。孙仁师认为此举可能会招致他们反叛，刘仁轨说：“我观察沙吒相如、黑齿常之真诚并有谋略，乘机立功，还怀疑什么？”沙吒相如等最终攻克了任存城，迟受信独自逃往高句丽，百济的残余势力被全部消灭。孙仁师等人班师回朝，朝廷令刘仁轨率军留镇百济。

百济两次遭受战乱，境内受到严重的破坏，刘仁轨命令对死者进行掩埋祭奠，他重新登记户籍，设置官署属吏，开辟道路，建设村庄，修复堤坝塘堰，救济贫困人家，鼓励农业生产，替他们建立土地神庙，百济的民众都安居下来。守军于是垦种土地，筹划平定高句丽。刘仁愿回到京城，高宗慰问他说：“你本是武将，但这次写来的奏表文书，写得非常得体，这是怎么做到的？”刘仁愿回答说：“都是刘仁轨的手笔，不是我能写出来的。”高宗赞赏刘仁轨，破格提拔他六级官阶，正式任命他为带方州刺史，并在长安奖赏一处住宅，加赐其家属，高宗特派使者送去盖有御印的文书，对刘仁轨进行表彰。

在太宗贞观、高宗永徽年间，朝廷都特派使者慰问祭奠阵亡的将士，有的还把赠授的官职爵位转授给他的后辈担任。显庆以后，奖赏出征将士的事几乎不复存在。到平百济、围平壤时，有功的人完全没有甄别任用。州县征募兵役，人们不愿当兵出征，身体健壮、家境富裕的人，用财物到官府打通关节，都可以逃避征调。招募到的人都愚弱贫困，缺乏斗志。刘仁轨全面论述了不计功行赏的弊病，要求朝廷对出征将士给予慰劳奖赏，以便鼓舞士气。刘仁轨还呈递奏表，建议任用百济王子扶余隆来安抚百济民众。高宗对他的建议表示同意，并授扶余隆为熊津都督。

当时，刘仁愿任卑列道总管，高宗令他接替刘仁轨驻守百济，然后二人再一起回国，刘仁轨说：“皇上巡视各地，还要筹划平定高丽。眼下正值农忙季节，如果官兵全被接替，新来的人不熟悉情况，万一这里发生变故，谁能保卫？不如留下原来的部队收割完毕之后，分批派他们回国。我应当留下，还不能离开。”刘仁愿不同意，