白江口海战之后，百济诸城再度归附，唯有任存城的迟受信坚持不降。
百济义军首领沙吒相如、黑齿常之在唐军秋毫无犯的感召下，再度向唐军投降。在此之前，他们曾聚众响应扶余福信，啸聚山林，
多次与唐军作战。此次，刘仁轨决定派沙吒相如、黑齿常之去平定任存城，遭到孙仁师的坚决反对，他表明了自己的态度，
“我信不过他们”，刘仁轨向他耐心说服，“我看沙吒相如、黑齿常之都是忠勇有谋之人、感恩图报之士，知道目前形势是顺我者昌、逆我者亡，
立功的机会他们不会放过，无须怀疑他们的忠心”，孙仁师认可了刘仁轨的想法，
于是唐军向黑齿常之所部发放粮食和武器，并分兵相助，很快攻陷了任存城，迟受信抛妻弃子，狼狈逃窜，投奔了高丽，至此，
百济全国再度被唐军平定，形成了对高丽的夹击之势。大功告成，刘仁愿、孙仁师回国复命，刘仁轨则留下来镇守百济。
百济战乱之后，民生凋蔽，百废待兴，刘仁轨充分展露了自己的经营才干，把当地的生产搞得有声有色，很快就呈现出一片安居乐业的战后景象。刘仁轨当然不会忘记自己坚守百济的初衷，
他率军屯田，聚积粮草，操练士卒，风雨无阻，为下一步对付高丽做好战前准备。不出刘仁轨的深谋远虑，数年之后，高丽就重蹈了百济的命运。
刘仁愿回到京城后。唐高宗问他，“你在百济的前后奏请。有条有理，文采飞扬。很合我的心意，你是个武将出身，何以能够如此才华出众”，刘仁愿据实回答，
“这全是刘仁轨的手笔”，丝毫不愿掠人之美，唐高宗龙心大悦，给刘仁轨连升六级官阶，
任命为带方州刺史。并为刘仁轨在长安建造一座宅第，以表彰刘仁轨立下的丰功伟绩。当朝重臣上官仪也称赞过刘仁轨和刘仁愿的为人处事，“仁轨遭黜削而能尽忠，仁愿秉节制而能推贤，皆可谓君子矣”。
刘仁轨善解君心，揣摩圣意，上表陈述了唐军在百济的一系列困难，皇帝都言听计从，一一予以解决。从此，刘仁轨就成了唐高宗最信任、最亲近的大臣之一。
麟德二年（公元665年），唐高宗前往泰山封禅，刘仁轨带来了新罗、百济、耽罗、日本四国的使者。为大唐的祭祀活动增添了最大的荣光，唐高宗高兴异常，提升刘仁轨为大司宪。
后又兼任检校太子左中护，封乐城县男。按照一般常理。成为举足轻重的朝臣后，刘仁轨就有条件对陷害过他的人进行秋后算帐。袁异式自然难逃一劫。
可是，刘仁轨老于人情世故，他要凭借此事，让所有的同僚都看到自己的博大心胸，于是宴请袁异式，做了一场出色的秀。酒席之上，他将自己的酒杯倒光，告诉袁异式，“仁轨若念畴昔之事，有如此觞”，
主政之后，又提升袁异式为詹事丞，推荐袁异式做司元大夫，时人无不对刘仁轨的以德报怨钦佩万分，唐高宗也因此对刘仁轨好感大增，屡屡托以重任。
乾封元年(公元666年)，高丽莫离支泉盖苏文去世，其长子泉男生继承了莫离支的位置，泉男生的弟弟泉男建、泉男产不服这个安排，发兵攻打泉男生，泉男生抵挡不住，就派自己的儿子泉献诚到唐朝乞援
。唐朝等来了高丽内乱的千载良机，当然不肯错过，朝廷任命李勣为辽东道行军大总管，节制诸军，统率数道合击高丽国。
刘仁轨出任辽东道副大总管，后又改为熊津道安抚大使，全力协助李勣的雷霆攻势，
到了唐高宗总章元年（公元668年）的冬天，高丽灭亡了，并入了大唐帝国的版图，唐朝在高丽旧地设置九都督府、四十二州、百县，由平壤的安东都护府统辖，以右威卫大将军薛仁贵为检校安东都护，