苏定方平定百济后不久，百济旧将福信反叛，刘仁轨率领的唐军在朝鲜半岛受阻，而此时苏定方攻打高句丽也在平壤受阻。朝鲜半岛离长安山高路远，唐高宗给刘仁轨写信，必要时可以回归本土。
走还是留，成了刘仁轨军队的主要问题。除了刘仁轨，别的人都想回去。面对这种请况，刘仁轨做了一次全军动员。他从国家利益出发，分析当前的形势和敌人的请况，最后得出结论：只要坚守，一定能取得胜利。
在刘仁轨的动员下，将士们的心安定了，他们很快打通了新罗的运粮之路，解决了军队的补给问题。
此时的百济叛军内部也发生了改变，扶余丰杀了福信，又向高句丽和日本求援。针对新的请况，唐高宗派孙仁师带领海军前来支援。
两军会合后，唐军军心大振。在召开军事会议时，有人建议先攻打加林城，因为它是水陆交通要道。刘仁轨不同意。他分析：加林城城池坚固，地势险要，如果急攻会损兵折将，如果打持久战会对我方不利，不如先打周留城，这里是敌方的老巢，如果把他们的老巢端了，其他的城池会不攻自破。
基于此，唐军采取了水陆并进的方式，由孙仁师、刘仁愿和新罗国王金法敏在陆地作战，刘仁轨带领杜爽、朱玉龙率领水军和运粮船从熊津江向白江挺进，汇合陆军一起对准同一个目标：周留城。
在白江口，刘仁轨率领的唐军水军与百济、日本联军相遇，双方展开机烈的海战。“仁轨遇倭兵于白江口，四战捷，焚其舟四百艘。烟焰涨天，海水皆赤，贼众大溃。”(《旧唐书刘仁轨传》)
刘仁轨借鉴火烧赤壁的经验，用火攻的方式烧了日本400艘战船，一举摧毁了前来援助的日本海军。战船的火和士兵的血把海水和天空都染红了。这一仗不但打出了唐军的国威和军威，打出了唐朝在东亚和国际上的地位，还打得日本消停了近一个世纪。
这一仗下来，百济重新回归，孙仁师和刘仁愿回国，刘仁轨留下来镇守。刘仁轨首先让人对死者进行掩埋、祭奠，然后进行户籍登记，设置官员。接下来，他又进行了一系列基础设施建设，整理村落，搭建桥梁，修堤复塘，又鼓励百姓进行农业生产，救济贫困人家，让当地百姓安居乐业，而士兵也实行屯田，为打高句丽做准备。
刘仁轨因为军功和政绩突出，被唐高宗连升六级，并赐给他一处首都的住宅房，还重赏了他的家人。
说起来刘仁轨还是一个文武全才型的将军，他不但仗打得好，文章也写得不错，做人还十分的低调，在他成为宰相之后，当每一次和之前贫贱时的故人见面，就会穿上旧衣服，做到不张扬不自满。在垂拱元年，84岁的刘仁轨去世了，当时武则天还为他废朝三日，并让在京的官员依次去吊唁，以表达对这位文武全才的尊敬。
