公元660年，苏定方被任命为神丘道行军大总管，率领十万大军渡海进攻百济。唐军势如破竹，迫使百济王投降，百济覆亡，大唐在这一带设置了五个都督府，百济成为唐朝的羁縻府州。
后来，高宗任命刘仁轨监统水军，保证唐军的后勤供应。当时的气候并不适合出海，但是李义府硬要刘仁轨出兵，刘仁轨无奈只好出海。
在海上，刘仁轨遇到了强大的风浪，使得很多船只都翻了，折损十分严重。朝廷派袁异式去审问刘仁轨，就在袁异式出发之前，李义府找到他，对他说：“你要是会办事，以后就不用担心升官的问题了。”袁异式当然明白李义府指的是什么，于是便想对刘仁轨不利。
袁异式想要逼迫刘仁轨自杀，但是刘仁轨却不屈服，他说：“国有国法，家有家规。我要是犯了法，自然会由国家进行处置。要我自杀，称了小人的心意，那简直就是痴心妄想。”
袁异式没有办法，只好向李义府说明情况，李义府自然要置刘仁轨于死地，于是，他便在朝堂上说道：“不斩仁轨，无以谢百姓。”此时的刘仁轨，正处于一个危险的境地。
这个时候，舍人源直心出面替刘仁轨说情：“海风暴起，非人力所及。”高宗知道李义府与刘仁轨结过仇恨，他想李义府必是要排挤刘仁轨，所以只是免了刘仁轨的官，让他以普通士兵的身份来为国家效力。
公元661年，高宗任命左卫中郎将王文度为熊津都督，安抚百济民众。谁知道王文度在渡海的时候病死了，唐军的主力此时已经撤离了百济，百济复辟势力想要与唐军一决高下。他们占据了周留城，与唐军进行对峙。
为了扩大自己的声势，他们派人将在日本做人质的王子扶余丰接回，日本想要保住自己在朝鲜半岛的势力，便同意将扶余丰放回。这样一来，复辟势力大增，将原来守城的唐军团团围住了。就在这千钧一发之际，朝廷果断地任命刘仁轨为检校带方州刺史，带着王文度的部下向新罗进发。
这时，刘仁轨满怀信心，豪情壮志地说道：“吾欲扫平东夷，颁大唐正朔于海表。”
刘仁轨虽然是个文人，但是却是个带兵打仗的良将，他治军严明，军队战斗力很强。百济复辟军队虽然人多势重，但却不堪一击。他们设下栅栏想要阻止唐军水师的进攻，结果却被唐军和新罗军队打得一败涂地，只好从百济城撤兵。
这时，唐军的人数少，也只好暂时休战。刚好这个时候，百济的军队中发生了内讧，使得军队中出现了一团混乱的局面。而此时苏定方率领的东征大军，虽然把高句丽军打得落花流水，但是始终未能攻下平壤城。现在已经是隆冬时节了，气候恶劣，苏定方无奈只好班师回朝了。这么一来，留在百济的刘仁轨面临着艰难的选择。
这时，朝廷给了刘仁轨两个选择，要么渡海回国，要么在新罗休整。刘仁轨接到了命令后，仔细地分析了当时的情况，觉得只有守住百济，才能把朝鲜半岛的主动权抓在自己手里。
于是，刘仁轨又上书给高宗，阐明了自己的观点。朝廷被刘仁轨说服，决定让他继续留在百济。果然不出所料，百济军队内部再次发生火并，扶余丰杀死了叛乱的首领，成为握有实权的百济军的统帅。他知道光凭自己的军队是无法取得胜利的，所以便向日本和高句丽求援。
此时，高句丽刚被打得落花流水，因此不敢出兵相助。日本却觉得这是个很好的机会，于是派出两万多人进入朝鲜半岛。日军在新罗攻下好几座城，对百济虎视眈眈。
唐廷得知这一情况后，迅速做出了反应，征发淄、莱、青、海四州兵马七千多人，由右威卫将军孙仁师率领，开赴熊津，与刘仁轨会师，唐军气势进一步增强。
唐军按照刘仁轨的建议，擒贼先擒王，猛烈进攻百济周留城，周留城形势危急，急急忙忙向日军求救。日军一万多人乘坐着海船来到白江口，准备在这里登陆支援百济军队。
日军与刘仁轨率领的大唐水师在白江口相遇，结果被刘仁轨打得全军覆没。当时，日军一万多人，战船一千多艘。而大唐水师只有七千多人，战船一百七十艘。
大唐的战船高大坚固，制作精良，远远胜过了日本的海战工具。唐军水师把日军战船夹在了中间，顺风放火，一时之间，火光冲天，海水皆赤，日军溃不成军，伤亡无数。
后来，日军将领朴市田来津遭到唐军的围攻而死。而周留城中的百济王子扶余忠胜和扶余忠志见大势已去，只好投降唐军。百济王扶余丰也不知道是否还活着，并没找到他，唐军只能将他的宝剑作为战利品带回。
这次海战，引起了日本全国的轰动。日本害怕大唐军队再次进攻，就在日本国内修建了四道防御工事，此后，再未向朝鲜半岛用兵。后来，日本见大唐兴盛，便派出遣唐使和留学生学习大唐的先进文化和制度。
自海战以后，百济各城都归附了大唐，只剩下任存城的迟受信坚决不肯归降。百济义军首领沙吒相如和黑齿常之也向唐军投降了，随后，刘仁轨决定派沙吒相如和黑齿常之攻打任存城，这下可吓坏了军中的孙仁师。
孙仁师觉得他们是靠不住的，万一放虎归山，后果将是不堪设想的。于是，刘仁轨耐心地向孙仁师解释，说道：“沙吒相如和黑齿常之都是有勇有谋、知恩图报的人。他们知道顺我者昌、逆我者亡的道理，这样的好机会他们是不会放过的。因此，你不必担心他们会有叛变的想法。”
孙仁师想来想去，也是这么个道理，于是便同意两人带兵攻打百济任存城。随后，唐军给黑齿常之等人配备了兵马和粮草，直攻任存城。经过了一番苦战，任存城终于被拿了下来。
后来，迟受信抛妻弃子，狼狈逃窜，投奔了高句丽，随后，百济便被大唐平定了。这样一来，高句丽就被新罗和唐军夹攻起来。孙仁师等人回朝复命，刘仁轨留下来镇守百济。
因为战争的破坏，百济战乱之后，民生凋敝，百废待兴。这个时候，刘仁轨显示出了他卓越的经营才华。平乱不久，刘仁轨一边安排民众生产，一边屯田练兵，渐渐地便出现了百姓安居乐业、军队防务严谨的局面，这些也为后来进攻高句丽打下了良好的基础，因此不得不说刘仁轨是个有才之人。
孙仁师等人回到了朝中后，高宗向他们问及朝鲜半岛的战事情况，同时还称赞了写奏报给他的官员。孙仁师等人回答奏报都是出自于刘仁轨之手。
高宗十分高兴，本来以为得了个武将，谁知，他却是个文武双全的人物。于是，高宗便把刘仁轨连升六级，并任命他为带方州刺史，还给他建了一个宅子，以此用来表彰他的功绩。从此，朝中的人也对刘仁轨肃然起敬。
刘仁轨十分了解朝廷的焦急心情，也知道皇帝的意思，于是，上表奏报朝廷百济目前所面临的一系列困难，朝廷对此都给予了积极的回应，刘仁轨也因此成了高宗和武则天所信任的重臣。
在高宗泰山封禅期间，刘仁轨带领着新罗、百济、耽罗、日本四国使者来参加大唐盛典。高宗异常兴奋，提拔刘仁轨为大司宪，后又兼任检校太子左中护，封乐城县男。
刘仁轨是个既宽厚又圆滑世故的人，就在高宗恩宠自己的时候，他完全有能力将陷害自己的袁异式铲除，但是他却没有这么做，他不但没有对袁异式下手，还对他礼遇有加。他主政后又提拔袁异式为詹事丞，推荐他做司元大夫。人们都赞扬刘仁轨以德报怨的行为，高宗和武则天知道后，对刘仁轨好感大增，委以重任。
公元666年，高句丽莫离支泉盖苏文去世。他的大儿子泉男生继承了莫离支的职位，泉男生的弟弟泉男建、泉男产不服这样的安排，于是发兵攻打泉男生，泉男生实在无力抵挡，便派自己的儿子泉献诚到大唐求助。
大唐正愁不知道如何攻打高句丽呢，高句丽内战这样的机会可不能错过。于是，大唐派李做辽东道行军大总管，节制各军，带领数道合力攻打高句丽国。刘仁轨被任命为辽东道副大总管，后又改为熊津道安抚大使，全力协助李攻打高句丽。
公元668年冬天，高句丽灭亡，被纳入大唐帝国的版图，唐朝在高句丽设置九都督府、四十二州、百县，由平壤的安东都护府统辖，命右威卫大将军薛仁贵为检校安东都护，率领两万多人驻守此地，安东都护府管理着原来高句丽和百济的土地。
大唐平定了新罗的两个宿敌，占领了朝鲜半岛四分之三的土地。新罗一看自己的势力整个朝鲜半岛无人能及，于是便动起了蚕食大唐疆土的念头。此后，他们竟然收留了反唐势力，想借此来将大唐排挤出朝鲜半岛，这种行为触怒了大唐，刘仁轨率领大唐军队，雄赳赳地与新罗展开了对战。
公元675年，高宗任命刘仁轨为鸡林道大总管，任命卫尉卿李弼、右领军大将军李谨行为副大总管，渡过瓠卢河，攻占了新罗重镇七重城。也就是在这个时候，靺鞨兵登陆新罗南境，配合唐军作战。新罗军受到了重创，力量也被大大地削弱。
于是，新罗王便派使节到大唐进行请罪，高宗接受了新罗王的道歉，并赦免了他。此后，大唐与新罗以平壤以南的大同江作为界线，划定了双方的势力范围。随后，刘仁轨班师回朝。
刘仁轨回到朝廷后，因为功勋卓著被升为了公爵，连同他的儿子和侄子也一起被封为了“上柱国”。因为刘仁轨一家为故乡争了光，家乡人把他居住的地方称为“乐城乡三柱里”。后来，他又当上了左仆射。
公元677年，吐蕃进犯边境。刘仁轨被任命为洮河道行军镇守大使，去抵御吐蕃的进犯。他曾多次上书高宗，并且为抵御吐蕃献计献策，但是，这些却都被李敬玄给压了下来。
刘仁轨知道后气愤不已，决心与李敬玄斗一斗。官场上互相倾轧是比较普遍的现象，刘仁轨对这个并不陌生。他知道李敬玄是文人出身，不善于打仗，便推荐他代替自己抵御吐蕃。
当李敬玄知道了这件事后便慌了手脚，他知道自己的能耐，于是，便极力推辞这个任务。谁知，高宗却执意派李敬玄去。李敬玄没办法，只好接替了刘仁轨的位子，与吐蕃作战。
公元678年，吐蕃军再次进犯，唐军与吐蕃军展开大会战。李敬玄不懂战争，坐视不救，唐军受到了很大的打击，损伤过半。刘仁轨重用的黑齿常之在这场战斗中脱颖而出，此后经过数次战争，被提拔为大唐的燕国公。
刘仁轨确实有识人的能力，但是他们之间的争斗，却葬送了很多大唐将士的性命，这一点也为刘仁轨的人生留下了瑕疵。
虽然举荐李敬玄不当，但是高宗却并没有因此而责怪刘仁轨。公元681年，刘仁轨被任命为太子太傅，实际上这也是武则天的主意。在他任太子太傅的时候，曾经发生了一件有趣的事情，足可以说明刘仁轨对高宗的影响力。
少府监裴匪舒建议皇家卖掉马粪，这样，每年就能够获得二十万贯收入。高宗问刘仁轨的意见，刘仁轨觉得这样会让后人觉得唐皇室是个唯利是图的王室。
高宗认为也是这样的道理，于是便不再提及此事。又有一次，裴匪舒给高宗建了一座精致的镜殿，建成之后，他请高宗和刘仁轨一起去观赏。当刘仁轨看过之后，扑通一声便跪倒在地，紧接着，他便跑下了殿堂。
高宗不知道是怎么回事，下来便向刘仁轨问其中的缘由。刘仁轨说：“天上没有两个太阳，国家没有两个君王，我刚刚在镜子里见到好几个君主，这是不祥的征兆啊！”
其实，刘仁轨是想借此来让高宗放弃不必要的享乐思想。这一招果然奏效，高宗急忙命人把四周的镜子都换掉了。
刘仁轨一直都游刃于官场之中，到了晚年，他想要离开官场好好休息一下，结果，武则天不愿意放他回去。因为，他也是武则天在朝中的重要支持力量。
公元683年，高宗去世，武则天亲政。刘仁轨再次出任尚书左仆射、同中书门下三品，负责留守长安。接着，他又以年迈为由向武则天请辞，并且规劝她不要重蹈吕后的覆辙。
武则天写信又对刘仁轨进行了一番安抚，认为他是个对国家有用之人。刘仁轨觉得武则天是个治国能人，又是极为尊重自己，于是，他经过思考后决定继续留任。
在武则天启用新官制后不久，刘仁轨病逝，享年八十四岁。朝廷追赠他为开府仪同三司、并州大都督，将他陪葬乾陵，赐其家实封三百户。刘仁轨的儿子刘浚官至太子中舍人，后来被酷吏杀害了。
刘仁轨最重要的功绩在于战功，他对大唐时期稳定朝鲜半岛起到了不可小觑的作用。同时，他也将大唐先进的生产方式、先进的文化传播到了朝鲜半岛以及更远的地方，从而使得大唐威名远扬。
