李治终于看清了刘仁轨的意图，命沿海各州征召士兵，派右威卫将军孙仁师率兵渡海，前往百济援助大唐新罗联军。
龙朔三年夏，百济复兴军内部发生内讧，鬼室福信袭杀道琛和尚，合并他的兵马，又假装有病，想诱杀扶余丰。
百济王扶余丰怀疑鬼室福信谋反，设计逮捕了鬼室福信，将他斩首。然后派遣使者前往高句丽和倭国请兵，以对抗唐罗联军。
七月，孙仁师和刘仁轨会师后，兵势大振，然后召开诸将会议。有人想先攻加林城，刘仁轨建议先攻敌人的巢穴——周留城，得到诸将的同意。
会议进行了分工：孙仁师、刘仁愿和新罗王金法敏率领陆军进攻周留城的北边，刘仁轨、杜爽和扶余隆率领水军、粮船，自熊津江驶向白江，配合陆军进攻周留城的西南边。
八月二十七日，刘仁轨的水军在白江口和倭国水军相遇了，双方发生了激战。大唐战船有一百七十艘，体形很大，在江上排成阵列，载有七千余人。
倭国战船一千余艘，体形较小，载有一万余人。倭国战船先头部队围攻大唐战船，被大船反包围，近战倭国兵器不利，而唐兵都是双手紧握陌刀或横刀，以断岳之势横扫千军。倭兵死伤堕水者不少，**坚阵而守。
倭将朴市田来津下令撤退了。第二天清晨，倭国水军将领们和扶余丰商量对策，不看天气情况，而是互相鼓励说：“只要我们奋勇争先，以一当百，拼死血战，对方必然知难而退了！”
随后，倭将庐原君臣指挥水军主力猛烈进攻大唐水军坚阵。刘仁轨指挥大船自左右冲入倭船中环绕作战，使小船难以回旋，再用火箭射击。
一时间，倭船纷纷起火，烟炎灼天，火光映得海水都变红了。小船被夹住了掉不了头，倭兵被迫纷纷跳水，淹死了很多人。
骁勇的朴市田来津急得直跺脚，仰天长啸，发誓报国，然后咬牙切齿杀入**，奋勇格斗，杀了几十人，佩刀佩剑都砍断了，被唐兵用陌刀砍死。
百济王扶余丰躲在船仓的角落里瑟瑟发抖，不料还是被唐兵发现了。他转身仓皇逃窜，身上藏的金元宝和佩带的宝剑也跑掉了，趁唐兵去捡宝贝的功夫，他跳上了另一艘船，手下亲兵拼命划船，终于脱离了危险，逃奔高句丽。
此战大败倭军，共焚烧倭船四百艘。庐原君臣害怕继续打下去会变成光杆司令，慌忙率领剩余战船撤退了。
十天后，驻守周留城的百济王子扶余忠胜、扶余忠志见大势已去，只好打开城门率领士女、倭人和耽罗国使者投降了。倭国陆军将领狄井槟榔、秦田来津得到惨败的消息后，也率部乘船回国了。这就是着名的白江口之战。
倭国中大兄皇子担心唐国和新罗乘势进攻倭国本土，下令建造四道防线，并迁都到近江大津宫。此后的九百多年间，倭国不敢再入侵朝鲜半岛。此战后，倭国又派出遣唐使，开始全面学**唐先进的制度、技术和文化。
百济将军沙吒相如、黑齿常之又率部再次归降大唐，刘仁轨看他们忠勇有谋，又懂得感恩，所以送给粮仗，命他们率部进攻迟受信占据的任存城。
任存城很快被黑齿常之攻下，迟受信抛弃其妻子逃走，投奔高句丽，百济复兴军被彻底消灭了。
平定百济后，孙仁师和刘仁愿振旅而还，刘仁轨勒兵镇守熊津都督府。
刘仁愿回到京师后，李治在蓬莱宫宴请他，问：“卿在海东，前后奏请，都符合事宜，并且雅有文理。卿本是武将，怎么会如此通文达理呢？”
刘仁愿对：“都是刘仁轨写的，文书表章非臣所长啊！”李治点头深表叹赏，下令超加刘仁轨官级六阶，正授带方州刺史，并赐长安城豪宅一区，又厚赐他的妻子，派遣使者携带皇帝亲笔玺书前往劳勉。
刘仁轨感激李治的知遇之恩，披肝沥胆，感恩戴德，尽心尽力治理百济故土。主要做法是：
① 收敛战乱遗留的骸骨，派人掩埋吊祭。
② 开通道路，整理村落，建立桥梁，补葺堤堰，修复陂塘。
③ 劝农耕种，赈给贫乏，存问孤老。
④ 颁布宗庙忌讳，建立皇家社稷。
⑤ 经营屯田，积粮抚士，以经略高句丽。
在刘仁轨的善政治理下，百济民众安居乐业，经济开始恢复增长！
麟德元年十月，李治派遣右威卫将军刘仁愿带兵渡海以换防，敕刘仁轨带旧镇兵西还。刘仁轨上表陈述利害，自请留镇海东。李治同意。
百济太子扶余隆在安抚民众方面做得很好，受到唐朝的表彰。李治想调和百济与新罗的关系，命扶余隆与新罗王金法敏释去旧怨，建立同盟。
麟德二年八月十三日，扶余隆与金法敏同盟于熊津城，刘仁轨和刘仁愿遵旨劝谕双方和好，并站在一旁监督盟誓。
刘仁轨大声宣读誓词道：“新罗和百济会盟，修百年之好，立百济太子、司稼正卿扶余隆为熊津都督，守其祭祀，保其桑梓，依倚新罗，各除宿憾，结好和亲！”观礼者一齐鼓掌欢迎。
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