高宗驾崩，皇太后武则天执政，加授刘仁轨为特进。李重照被废，刘仁轨又被任命为尚书左仆射、同中书门下三品，专任西京留守，独自主持长安的留守事务。武则天特意写信给刘仁轨，将其与留守关中的西汉名臣萧何并称，刘仁轨却以年老体弱为由而上疏推辞，请求免除自己的留守之任，他还乘机陈述西汉吕后乱政败亡之事，以申明对武则天的讽谏之意。
武则天览奏后，派侄子武承嗣专程前往长安慰问刘仁轨，向其解释道：“今日因皇帝正在守丧不能开口发布政令，眇身我暂时代替他处置政事。劳您从远处劝诫，又上表声称年老多病要辞职，内多责备抱怨，使我忧虑不安进退无据。你又说‘吕后被后代耻笑，吕禄、吕产给汉朝带来灾难’，比喻实在深刻，使我欣慰和惭愧交集。您忠贞的操守，终始不变；劲直的气节，古今罕比。开始时听到这种话，怎能不感到迷惘；静而深思，足为借鉴。而且宰相之位，是百官的楷模，何况您是先朝旧臣，为远近所注目。希望您以匡正补救国事为怀，不要以年迈为由请求退休。”不久，朝廷进封刘仁轨为乐城郡公。
刘仁轨逝世，享年八十四岁，武则天为其辍朝三日，命在京官员依次到他家中吊祭，追赠开府仪同三司、并州大都督，陪葬乾陵，赐其家实封三百户。
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