师一个措手不及。
龙朔三年(663)八月二十八日，历史上第一次中、日决战正式打响。
这一战着实吓坏了倭国。
为了尽快解救百济盟友，倭国水师制定了“我等争先，彼应自退”的方案，打算集中先期投入白江口的400余艘战舰对唐军发动猛烈进攻，以此来打乱唐军的猛烈攻势，以勇取胜。
刘仁轨根本不怕敌人这一招。唐朝自设立水师起，每一支规模水军就标配有楼船、艨艟、斗舰、走舸、游艇、海鹘等制式战船。拿隋唐时代的经典楼船——五牙战舰举例，这种楼船单是箭楼就高五层，每层还配有大型弩机、投石机、绞车弩等装备，作战时不仅能搭载上百名军士，还能同时发射七支射程超过1000米的巨箭，直接摧毁前方战船。此外，唐军配备的艨艟、斗舰、走舸、海鹘，不但可以让将士在船上以梯形站队迎敌，还可以利用这些战舰的特性，配合唐军独特的水师战术在不同的气候环境下发起各类突袭攻击。
而天智天皇手里的这支水师部队，其主力由当时倭国地方豪强武装临时拼凑而成。即便设有前、中、后三军，但全军上下没有垂直的指挥系统，作战时只能一窝蜂乱冲，根本无法对唐军造成致命威胁。
刘仁轨正是利用了敌军的这一弱点，以行动不便的楼船为中心，在白江口水流缓慢处构筑坚固的防御阵地，压制倭国的水师冲锋。然后再利用机动性能优越的走舸、海鹘等，对倭国水师进行左右包抄，各个击破。另外开战前唐军还根据当时的洋流、风向、降雨量等作出预判，提前准备各种火箭、火药、火球等，只等倭军靠近时就发射。
于是刹那间“烟焰涨天，海水皆赤”。刘仁轨与倭军前后鏖战四场，唐朝水师大获全胜。
倭国战败后，百济复国无望，残余势力很快土崩瓦解。而天智天皇经此一役，也不敢再抱有他是“日出处天子”的想法，而是派遣唐使赴唐朝学习先进文明，奉唐为正朔。
至于高句丽，在失去盟友百济的情况下，又坚守了六年，直到总章元年(668)才亡于唐罗联军的进攻，结束了七百多年的国运。从此朝鲜半岛进入新罗统一时代。
刘仁轨收复了百济故地后，并没有立即撤军西还。他始终没有忘记灭百济是为了更好地击败高句丽，缓解唐朝东境的边防压力。
自唐军重驻熊津起，刘仁轨便开始登记户籍，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，