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，说：“我只知道执行诏令。”刘仁轨说：“不对。如果对国家有利，知道该做就没有不做的，这是臣下应守的节操。”于是向朝廷陈述利害关系，请求留守百济，高宗同意，并因此认为刘仁愿不忠。
高宗到泰山封禅时，刘仁轨带领新罗、百济、儋罗、倭国等四国的酋长，奔赴泰山参加祭典集会，高宗大悦，擢升刘仁轨为大司宪兼知政事。刘仁轨迁右相，兼检校太子左中护，根据前后战功，高宗封刘仁轨为乐城县男。刘仁轨出任辽东道安抚副大使、辽东道行军副大总管、熊津道安抚大使兼浿江道总管，他先于六月前赴新罗征调其兵马夹攻高句丽，然后北上，作为司空李积的副手，协助其攻灭高句丽。次年，唐军回师，他以辽东道安抚使兼右相的身份与泉男生厘定安东都护府州县。
高宗允准称病的刘仁轨致仕，加金紫光禄大夫，数月后复出，被任命为陇州刺史。刘仁轨入朝为太子左庶子，升任同中书门下三品，并监修国史。因“许敬宗等所记多不实”，高宗令刘仁轨等改修国史。
因新罗吞并熊津都督府及支援高句丽遗民作乱，高宗决定讨伐新罗，任命刘仁轨为鸡林道大总管，东征新罗。刘仁轨率唐军横渡瓠芦河，攻克新罗重镇七重城，以功进封为乐城县公，他的儿子以及侄子中有三个人被授予上柱国头衔，乡里为此感到光荣，把他的故居称为“乐城乡三柱里”。刘仁轨从新罗前线被召还入朝，任尚书左仆射、同中书门下三品兼太子宾客、监修国史，仍旧主持政务。
吐蕃进犯扶州临河镇，唐军兵败，朝廷任命刘仁轨为洮河道行军镇守大使，以图取吐蕃，“于是始有久戍之役”。刘仁轨的建议屡遭中书令李敬玄反对，他因此怀恨在心。刘仁轨明知李敬玄不是将才，但是因为一心想报复李敬玄，所以上奏道：“西边镇守的重任，非李敬玄不可。”李敬玄推辞不掉，在青海之战中兵败，被贬为衡州刺史。
刘仁轨兼任太子太傅，不久后，他上疏请求致仕，高宗同意他辞去尚书左仆射之职，仍以太子太傅之衔知政事。高宗游幸东都洛阳，留皇太子李显在长安处理军政事务，令刘仁轨与裴炎、薛元超辅佐太子。李显奉诏赶赴洛阳，由唐昌郡王李重福继任留守，刘仁轨任副留守。
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