灭百济后，唐朝大军振旅而还，留下郎将刘仁愿率数千唐兵留守百济城，并派左卫郎将王文度为熊津都督。赴任半途，王文度病死，诏以刘仁轨代之。
百济王扶余义慈的堂弟扶余福信本来已经降服唐军，待他看到唐军主力回国，萌生贼心，并与一个叫道琛的和尚联手，在周留城聚百济旧民造反。不久百济“西部皆应”，纷纷据城造反，支持扶余丰。众军相聚，反而把唐军刘仁愿的留守军团团包围于百济城。
唐廷下诏，任刘仁轨检校带方刺史，统王文度旧部与新罗军合势救援刘仁愿。唐、新联军一路厮杀战斗，直杀百济城。和尚道琛在熊津江边建两座巨大的兵垒，刘仁轨率众猛攻，百济军不敌，退保任孝城。
公元661年(高宗龙朔元年)，唐将苏定方又攻打高句丽，遇大雪酷寒，唐军不得不班师。但是刘仁轨上表，表示要继续坚守在百济，高宗深觉刘仁轨言之有理，便让唐军继续留在百济城坚守。
刘仁轨先出奇兵，首发制人，率军先端掉扶余福信派人修建的真岘城(今韩国镇岑县)，虽然此城“临江高陆”，唐军连夜奇袭，一举攻破，“遂通新罗运粮之路”。而百济内部发生火并。百济王子扶余丰越来越不能忍受堂叔扶余福信的跋扈，扶余福信被杀。于是，刘仁师、刘仁愿以及新罗王金法敏率陆军，刘仁轨以及先前降附的百济王子扶余隆率水军，从熊津江出发，水陆并进，直趋白江口，准备合军直捣固周坚城。
公元663年(高宗龙朔三年)八月，刘仁轨水军率先行至白江口。很快，倭国水军四百余艘也绵延驶至。宽阔水面上，唐、倭两路水军对峙。
刘仁愿回长安后，高宗向他询问情况，这位大将不专功，说明战役主要指挥者以及表章主拟人均是刘仁轨。高宗“深叹赏之，因超加(刘)仁轨六阶，正授带方州刺史，并赐京城宅一区。”刘仁轨丝毫不敢懈怠。他安抚百济余众，屯田厉兵，积粮抚士，准备下一步进灭高丽的战争。同时，他连上表奏，极言百济之地不可轻弃，“伏惟陛下既得百济，欲取高丽，须外内同心，上下齐备，举无遗策，始可成功……”高宗深纳其言。
百济亡国，下一个肯定轮到高丽，公元668年(高宗总章元年)，唐朝大将李勣为师，在泉男生带路指引下，一举踏平高丽，终于完成了隋炀帝、唐太宗未竟之业，收一百七十六城、六十九万户。唐朝置安东都护府，留大将薛仁贵等二万多唐兵于平壤，高丽终成唐朝治地。由于高丽王高藏一直是个傀儡，唐廷赦而不诛，还把他封为司平太常伯，只把负隅顽抗的泉男建流放黔州蛮荒之地。