各位唐军将领提出要攻打加林城。刘仁轨说：
“加林城在水陆要冲，地形险要、城墙坚固，我军为如果急攻，反而损伤兵士。
如果缓攻必旷日持久，几个月打不下来，也会导致兵士疲劳。
不如直捣周留城。
周留城是百济敌虏的老窝，所有的凶恶之徒都集中这里。
除恶要除去根本，一旦攻克周留，顽敌强敌被消灭，其他城市不用发生交战就占领了。
于是分路进兵，孙仁师、刘仁愿，邀请新罗玉金法敏，一起从陆路进兵。
刘仁轨和别将杜爽、扶余隆，率水军及运粮船从熊津进入白江水面，打算与陆地行军的唐军会师。
663年八月二十七日，唐朝水师和日本水军在白江口相遇，中日历史上第一次大规模海战打响。
唐军战船和日本战船隔水相望，双方的桅杆船帆林立，如同水上一片片移动的树林。
这时日军在附近的战船是分多批从日本赶来的，已有一千多艘，唐军战船不到两百艘。
唐军战船体形庞大，每一艘能载士兵600名，因为船上还运载着作战物资和军粮，每艘船只能载士兵120人。日军战船体形小，每艘船能载士兵40人。
一千多艘对阵不到二百艘，战船数量规模存在巨大差距，日军没有料到唐军会主动展开攻击。
刘仁轨指挥唐军以黄龙船和海鹘船带头列阵，其它船分左右两队跟上，以人字队形包围日军。
日军所能做的就是设法突围。唐军舰队占领白江口两侧，日军船队包围在中间无法逃出去。
唐军用拍杆打击日军船只，很多日军船侧翻，日军兵士落水入海，日军将领朴市秦造田来津战死。
日军船队好不容易强行突围后，唐军连续四次追击日军舰队。
在白江出海口，刘仁轨指挥唐军实施火攻，命兵士在箭矢上绑上小布团，布团浸满桐油，点燃，弯弓发射。
唐军万箭齐发，无数携带火球的小火箭飞落敌船。
日本战船纷纷起火燃烧，熊熊火焰和滚滚浓烟遮蔽天日，火光映红了日军船队的附近江面。
日军将领阿昙比逻夫还想冒火来战，怎奈火势太猛，又有大风助力火势，把日本兵烧得焦头烂额，一步也无法接近唐军战船。
河岸上忽然战鼓喧天，呐喊阵阵。
原来是唐将孙仁师、刘仁愿领陆上行军的唐军部队赶到战场，他们一时没法下水作战，就在岸上击鼓呐喊给唐军水师助威。
日本水师哪里有心恋战，慌忙组织还没烧烂的战船，转舵逃去。唐军大获全胜。
百济国王扶余丰脱身投奔高丽国。唐军进逼周留城，扶余丰的儿子扶余忠胜、扶余忠志，率众兵士出城投降，百济亡国。
只有百济将领迟受信领兵占据任存城，不肯投降。
刘仁轨命百济降将常之、沙吒相如为前锋，刘仁轨自领兵在后，奋勇进攻。
迟受信知道守不住了，也领着老婆孩子投奔高丽去了。
胜利捷报传到唐朝廷。李治下诏让孙仁师、刘仁愿还朝，留刘仁轨镇守百济国。
百济遭受战乱，需要恢复生产生活。
刘仁轨命安葬战死兵士遗骸、进行祭奠。
又重登记户口户籍、设置官署、任命官吏、修缮道路、建造桥梁，建设村庄。
修补堤坝塘堰，鼓励种田养蚕,赈济贫穷人家，出台政策补助孤寡老人，建立大唐宗庙、颁立唐朝历法，百济百姓一片欢悦、人们安居乐业，一片安宁祥和。
唐军守军也耕种土地，筹划平定高丽。
刘仁愿到达长安，李治在朝堂接见他，设丰盛酒宴慰劳。
刘仁愿说：
“取得灭掉百济这样的辉煌战绩，全是刘仁轨的功劳，不是我所能办到的啊。”
高宗李治决定，给刘仁轨提升官阶六级，具体仍任带方州刺史。
由唐庭安排人力物资，给刘仁轨在京城长安修建一处气派的宅院，让他的妻子儿女安居再新府宅里，给予丝帛金银等丰厚赏赐。
百济已平，正打算进攻高丽，这时突厥铁勒部又叛唐，屡次在边境州县抢掠，李治决定先讨伐铁勒。
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