唐高宗龙朔三年，日本天智天皇以援助高丽百济王为名，令倭将毛野稚子等举倾国精锐27000余众，乘坐战船千余艘，由东海向新罗发起进攻，先后夺取沙鼻歧、奴江二城，切断了唐军与新罗的联系，企图占领统治高丽。其时，刘仁轨任检校带方州刺史，率军赴救，与唐将孙仁师、刘仁愿会师于熊津，唐军士气大振。刘仁轨、杜爽率领大唐水军和新罗海军从熊津进入白江口（今韩国锦江口），朔江而上夹击周留城。同年八月十三，刘仁愿所部进逼周留城外围，周留城周围的城池，逐一被唐军攻克，百济守军相继投降。刘仁轨督率水军驶抵白江口时，与先期前来的倭国海军相遇。倭船千艘停在白沙，旌旗猎猎，杀气腾腾。目睹其阵势，刘仁轨立刻下令布阵，将7000名水军分乘170艘战船，梯次列出战斗队形，严阵以待。八月二十七上午，倭军依仗优势，千船竞发，冲向唐军水阵，意欲一举击溃之。唐军战船多为楼船、蒙冲、斗舰、走轲、游艇和海鹘，数量上虽处于劣势，却是船高舰坚，于风浪中岿然不动，利于防守。敌我双方一交火，倭军船只相继被击沉，兵士死伤惨重。倭军将领见状急忙下令战船撤出战场。几名倭将立功心切，纷纷向主将请战，各领一队战船，采取自杀式战术，劈波斩浪，拼命冲撞大唐水军。刘仁轨临危不乱，指挥船队迅速变换阵形，分为左、右两队，将倭军船只围在阵中。倭军船小，在海上虽然往来灵活，却不利于攻坚，又兼被围后活动水域狭窄，船只相互碰撞，乱作一团。刘仁轨抓住战机，下令对敌船施以火攻。一时间，夹带燃料的火箭如飞蝗一般从唐军舰船上射向敌船，海风阵阵，火借风威，敌船只大部起火，烟焰涨天，海水皆赤。敌船上士兵大乱，纷纷跳海逃生，溺水死亡者不计其数。擒贼先擒王。刘仁轨乘胜追击，一举将倭将朴市田来津击毙。
    白江口海战，刘仁轨四战皆捷，烧毁敌船400余艘，为中、日战争史上双方投入兵力最多、规模最大的一次海战。百济王丰先在岸上目睹倭军失利，惊慌失措，遂率领部从逃亡高丽，其所佩宝剑被唐军缴获。9月7日，守城的百济王子扶余忠胜、扶余忠志和倭军残部向唐军投降。倭军损兵折将，元气大伤，无力再战，全部撤回岛国。白江口海战的胜利，使唐军很快占领了百济全境，形成对高丽的夹击态势。同时粉碎了日本侵入朝鲜半岛的扩张梦想。日本天智天皇因惧怕唐军乘胜追击，进攻本土，自公元664年开始，不惜耗费巨资修筑4道防线，抵御唐军。
    三
    刘仁轨领兵镇守百济，目睹经过多年的战乱，百姓流离失所，田野一片荒芜。他下令赈济百姓、赡养孤老，以此来安定民心。他对治下登记户口，任命官长，治理村落，修补堤堰，恢复陂塘，督促百姓种田养蚕，医治战争带来的创伤，让百姓安居乐业。此后，刘仁轨亲率将士屯田积粮，训练士卒，随时做好攻打高丽的准备。
    刘仁轨深入军营，在实际走访中发现，唐军劳师远征，将士久离故土，思乡心切，加之水土不服，导致士气低落，直接影响到战斗力。同时，唐军前出异域，远离王师驻地，后勤补给困难，一旦开战，恐难持久。针对这些亟待解决的问题，他直接上书唐高宗，“臣蒙陛下曲垂天奖，弃瑕录用，授之刺举，又加连率。材轻职重，忧责更深，常思报效，冀酬万一，智力浅短，淹滞无成。久在海外，每从征役，军旅之事，实有所闻。具状封奏，伏愿详察。臣看见在兵募，手脚沉重者多，勇健奋发者少，兼有老弱，衣服单寒，唯望西归，无心展效”，“伏唯陛下既得百济，欲取高丽，须外内同心，上下齐奋，举无遗策，始可成功。百姓既有此议，更宜改调。臣恐是逆耳之事，无人为陛下尽言。自顾老病日侵，残生讵几？奄忽长逝，衔恨九泉，所以披露肝胆，昧死闻奏”。刘仁轨在奏章中极力陈述了唐军现行招募兵役存在的问题，并详细分析了其中的利弊，认为府兵制和临时募兵制都不能适应国家的军事需要，一旦突然发生战争，唐朝将是没有兵备的国家，将存在着一蹴而倒的危险。
    唐高宗接到刘仁轨的奏章后，非常重视，立即派刘仁愿率兵渡海，接替刘仁轨及所部班师回朝。而刘仁轨却不同意即刻回京，他陈述理由说：“国家悬军海外，欲以经略高丽，其事非易。今收获未毕，而军吏与士卒一时代去，军将又归。夷人新服，众心未安，必将生变。不如且留旧兵，渐令收获，办具资粮，节级遣还，军将且留镇抚，未可还也。”
    刘仁愿提醒刘仁轨说：“吾前还海西，大遭谗谤，云吾多留兵众，谋据海东，几不免祸。今日唯知准敕，岂敢擅有所为！”
    刘仁轨闻言气愤地说道：“人臣苟利于国，知无不为，岂恤其私！”