为了让自己的队伍更有号召力，他们派人前往日本，去迎回在那里做人质的王子扶余丰，日本想要保住在朝鲜半岛上的影响力，
也愿意帮助扶余丰光复百济。一时之间，“西部皆应”，复辟势力迅速发展壮大，反而将刘仁愿的部队围困在了百济府城。情势危急，
唐高宗当机立断，任命刘仁轨为检校带方州刺史，统领王文度的部下，征发新罗援军前往救援。刘仁轨闻讯之下，欢呼雀跃，他口出得意之言，
“是上天要富贵我这个老头子”，出发之前，他发下誓言，“吾欲扫平东夷，颁大唐正朔于海表”，命运终于向这个年已六十的老头露出了会心的微笑。
虽然刘仁轨是文人带兵，却军容严整，号令严明，百济军人多势众，却不堪一击。道琛在熊津江(今韩国锦江)口设下两道栅栏，
企图阻挡唐军水师的进攻，唐军与新罗军队联手出击，百济军队顿时一败涂地，“溺死者万馀人”，道琛连失两栅
，抵挡不住唐军的乘胜追击，只得收缩战线，从百济府城撤围，率部退往任存城(在百济西部的任存山)。
刘仁轨与刘仁愿合兵一处，鉴于唐军人数较少，也暂时停止了进攻。此时，百济军队发生了内讧，扶余福信杀掉了僧人道琛，兼并了道琛的部众，
大权独揽，将百济王扶余丰也视作无物，他“招诱亡叛，其势益张”。几乎在同一时期，苏定方率领大军东征高丽，
，却未能攻下平壤城，时值大雪寒天，气候恶劣，唐军决定班师回国，这样，留守百济府城的刘仁轨和刘仁愿就成了一路孤军，何去何从，他们也到了十字路口。
唐高宗下诏给刘仁轨，要求他们马上撤兵，要么渡海回国，要么到新罗休整。刘仁轨目光如炬，
坚持自己的意见，在给唐高宗的上表中，他客观地分析了敌我形势，认为只有坚守百济，
大唐才能把朝鲜半岛的主动权抓在自己手里。唐高宗被他说服了，身边的将士也被他说服了，大家同心同德，决心在朝鲜半岛大干一场。
事情正如刘仁轨预料的那样，百济军队再度发生火并，扶余丰杀掉了扶余福信，成为百济军队名副其实的统帅，他知道独木难支，就派人向日本和高丽分别乞援。高丽畏惧大唐的威势，没敢出兵相助，
日本则认为这是染指朝鲜半岛的大好机会，派出精锐部队27000人，前往干预朝鲜半岛的局势，日军攻陷了新罗好几座城市，从海上直指百济旧地。
唐朝方面反应迅速，征发淄、青、莱、海四州兵马7000人，由右威卫将军孙仁师率领，开赴熊津，与刘仁轨、刘仁愿所部会师，唐军气势益壮。
他们听从了刘仁轨的建议，擒贼先擒王，猛攻百济军队的老巢周留城，周留城岌岌可危，赶紧向日本军队求救，万余日军乘坐海船，到达白江口，准备登陆驰援百济军队。
此时正是唐高宗龙朔三年（公元663年）八月，日军在白江口遇上了刘仁轨率领的大唐水师，被迫接受了全军覆没的命运。
当时，大唐水师7千余人，战船170艘，日军一万余人，战船1000多艘。大唐的战舰高大坚固，制作精良，远非日本的破船可以相比。
唐军水师将日军的破船夹在当中，顺风放火，一时之间，烟焰涨天，海水皆赤，唐军箭发如雨，日军溃不成军，呛死淹死的数不胜数，
日军将领朴市田来津遭唐军围攻而死。周留城中的百济王子扶余忠胜、扶余忠志眼见大势已去，只得率众向唐军投降，百济王扶余丰下落不明，
他的宝剑成为唐军的战利品。这场规模巨大的海战深深震动了日本全国，日本为防止大唐进攻，在国内修筑了四道防御工事，此后的一千年里，
再也没有向朝鲜半岛用过兵。日本向大唐派出了一批批遣唐使和留学生，无论大唐的衣冠服饰，还是大唐的典章制度，统统照搬回家，全盘唐化使日本成了一个与唐朝区分不出彼此的国家。
白江口海战之后，百济诸城再度归附，唯有任存城的迟受信坚持不降。
百济义军首领沙吒相如、黑齿常之在唐军秋毫无犯的感召下，再度向唐军投降。在此之前，他们曾聚众响应扶余福信，啸聚山林，
多次与唐军作战。此次，刘仁轨决定派沙吒相如、黑齿常之去平定任存城，遭到孙仁师的坚决反对，他表明了自己的态度，
“我信不过他们”，刘仁轨向他耐心说服，“我看沙吒相如、黑齿常之都是忠勇有谋之人、感恩图报之士，知道目前形势是顺我者昌、逆我者亡，
立功的机会他们不会放过，无须怀疑他们的忠心”，孙仁师认可了刘仁轨的想法，
于是唐军向黑齿常之所部发放粮食和武器，并分兵相助，很快攻陷了任存城，迟受信抛妻弃子，狼狈逃窜，投奔了高丽，至此，
百济全国再度被唐军平定，形成了对高丽的夹击之势。大功告成，刘仁愿、孙仁师回国复命，刘仁轨则留下来镇守百济。
百济战乱之后，民生凋蔽，百废待兴，刘仁轨充分展露了自己的经营才干，把当地的生产搞得有声有色，很快就呈现出一片安居乐业的战后景象。刘仁轨当然不会忘记自己坚守百济的初衷，
他率军屯田，聚积粮草，操练士卒，风雨无阻，为下一步对付高丽做好战前准备。不出刘仁轨的深谋远虑，数年之后，高丽就重蹈了百济的命