轨遂采取疲敌之策，先抢占有利位置，列战船于白江严阵以待。倭军到后，率先发起进攻，结果不利而退。而唐军仍坚阵而守。

二十八日，日本诸将与百济王在首战败于唐水军后，仍盲目地高估自己的实力，错误地认为“我等争先，彼应自退”，于是未加整顿部署，不观天气变化，便“率日本乱伍中军之卒，进打大唐坚阵之军”

刘仁轨见倭军来攻，充分利用唐军战船的优势，指挥水军将倭军的船只左右夹住，使其不得回旋，随后再施以火攻，一时“烟焰涨天，海水皆赤。”

经过激战，唐军四战四捷，取得了辉煌的胜利：焚毁倭军战船400多艘；击毙倭将朴市田来津；扶余丰趁乱逃奔高丽，其所佩宝剑被唐军缴获；王子扶余忠胜、扶余忠志和倭军残部投降；百济诸城全部归顺，百济再次得以平定，只有迟受信据守任存城不降。

白江口海战是中国古代战争史上一次大规模的海战，因中国史书记载有限，所以鲜为人知。作战中，刘仁轨指挥有方，在兵力不如对方的情况下，先采取守势，而后因势利导，以己之长攻敌之短，并辐以并火，最后取得了中日战争史上第一次大规模作战的胜利。

陆上倭军闻此讯，大惊不已“相谓之曰：‘州柔（即周留）降矣，事无奈何。百济之名绝于今日，丘墓之所，岂可复往？’”

白江口海战的胜利，使唐军很快占领了百济全境，形成对高句丽的夹击态势。同时也粉碎了日本侵入朝鲜半岛的野心。日本天智天皇深恐唐军进攻本土，自公元664年开始，在国内耗费巨资，修筑了4道防线，以备唐军。

此前，百济首领沙吒相如、黑齿常之在平壤道行军总管苏定方回军后，招集亡散，各据险响应福信，白江口海战后，各率所部归降。

刘仁轨好言安慰他们，然后让其各自率军攻打任存城，并准备派唐军相助。孙仁师认为：“相如等兽心难信，若授以甲仗，是资寇兵也。”

刘仁轨却不以为然，说：“吾观相如、常之皆忠勇有谋，感恩之士，从我则成，背我必灭，因机立效，在于兹日，不须疑也。”

于是发给黑齿常之等粮食和武器，分兵相随，遂克任存城，迟受信抛弃家属，投奔高句丽。至此，百济皆平。

此时，唐高宗召刘仁愿、孙仁师回朝，令刘仁轨领兵镇守百济。百济经过多年的战乱“合境凋残，僵尸相属”

为此，刘仁轨采取一系列措施，来安定民心，恢复社会秩序，掩埋骸骨，登记户口，任命官长，治理村落，修路架桥，修补堤堰，恢复陂塘，督促百姓种田养蚕，赈济百姓，赡养孤老。很快便医治了战争所带来的创伤，使百姓安居乐业起来。然后刘仁轨又屯田积粮，训练士卒，做好攻打高句丽的准备。