第二天（八月二十七日），決定性的戰鬥打響了。
白江口戰船密布，海天相連，日本海軍將領采用既定的戰術，憑借船多人多的優勢，一千艘戰船向劉仁軌的海軍發起進攻，企圖以此逼退唐軍。
然而日軍此舉，正中劉仁軌下懷。
中國軍隊已經在前一晚上準備了大量的火攻材料，劉仁軌當即下令海軍列隊迎戰，艨艟巨艦，迎風破浪，無數的巨槳在海麵上劃下一道道雪白的浪痕。
日本戰船不顧一切地衝進唐軍戰艦編隊中，企圖以六比一壓倒性的數量優勢，奪取海上戰場的主動權，六艘打一艘，這個想法不錯，然而中國海軍卻不給日本人機會。
當日本戰船以穿梭戰術插入中國艦隊中間時，中國戰船馬上利用噸位體積上的優勢以及優良的性能，采取對日本戰船的夾擊戰術。當兩艘唐軍艦船圍攻夾在其中的日本小船時，唐軍從船上投射出一團團的火球，密集地射到日本戰船上，弓弩手點燃弓箭，萬箭齊發，一時間，日本的戰船冒起濃煙，大火很快蔓延全船，日本武士“嘩”的一聲跳入海中逃生。其他日本戰船想過來營救，中國戰船采取衝撞的戰術，日本小船哪裏受得了這猛烈一撞，還不是船毀人亡麼？
日本人很快發現穿插戰術非常失敗，因為當船隻被中國戰船困住時，根本沒有回旋的餘地，失去了機動性。根據日本史料對這次戰役的記錄，日本船隻受到中國戰船夾擊時，“艫舳不得回旋”，如此一來，便不可避免遭到被擊毀的命運了。劉仁軌充分利用唐軍的優勢，憑借船隻優越的機動性與靈活的戰術編隊，化解了戰船數量少的劣勢，采取夾擊戰術，將整體劣勢轉化為局部的優勢。
日本海軍連續四次采取穿插戰術，雖然這種戰術被證明不堪一擊，但也別無他法，隻能寄希望於武士們的奮勇搏殺來贏得勝利，然而結果隻是輸得更慘。麵對世界上最堅強的一支軍隊，麵對堅忍不拔的劉仁軌——文人出身、卻充滿鬥誌的海軍名將，日本人不由發出失敗的哀歎。
日本船隻一艘接一艘被焚毀，每當船隻被焚時，日軍士兵紛紛跳入水中逃生，被溺死的人不計其數。海軍將領樸市田來津仰天而歎，他揮舞倭刀壓陣，孤注一擲，大喊臨陣脫逃者，斬無赦，前後手刃數十名逃兵。然而此時的日軍已是兵敗如山倒，他終究無法挽回敗局，便命令戰船衝入唐軍艦隊中，最後被擊斃。
白江口遼闊的水域上，到處是日本兵船的殘骸，滾滾濃煙，直衝雲天，而海水已經被火光照得通紅一片，海麵上漂著一具具的屍體，血與火構成了戰爭殘酷的主顏色。
日本人已經無法支撐，敗局已定。一千艘戰船，被中國海軍擊毀了四百艘，損失率高達百分之四十，假設日本軍隊的損失也是這個比例，那麼估計被擊斃的日軍超過一萬五千人。
中日第一場大海戰，無可爭議以中國海軍的全勝而告終。
在劉仁軌力挫日本海軍的同時，劉仁願、孫仁師以及新羅軍隊在陸地上也取得重大進展，擊敗了百濟軍隊。
白江口會戰，是百濟戰爭中最大規模的一次會戰，也是最重要的一役。日本援軍被迫撤出百濟戰場，失去外援後的百濟國王夫餘豐心灰意冷，出走投奔高麗，王子忠勝、忠誌率百濟殘部向唐軍投降。
這場戰役對日本影響極深遠。
日本海軍在白江口遭遇空前慘敗之後，全國已陷入恐慌之中，深恐唐軍跨海東征。日本政府於次年（664年）在對馬、壹岐、築紫等地構築防禦工事，準備抵禦唐軍的進攻；665年築大野城、椽城；667年築高安城、屋島城、金田城，並於是年遷都近江。這些措施均是防備大唐勢力的東擴，可見經白江口一役，日本上下已形同驚弓之鳥，風聲鶴唳，草木皆兵矣。
不過此時大唐海外擴張的步伐已經放緩了，因為長年戰爭導致民生凋零，百姓困苦，唐高宗宣布停止三十六州的造船活動。由於大唐帝國製船工業停頓下來，遠征日本群島就遙遙無期了。
白江口戰役的輝煌勝利，足以令劉仁軌跨入中國曆史名將之列，這位大器晚成的名將，其偉大勳業足以令國人引以為傲。往事越千年，回顧這場戰爭，依然令人熱血沸騰，血脈賁張，這就是偉大的大唐帝國，這就是偉大的劉仁軌將軍及其英勇無敵的唐軍戰士所締造的不朽傳奇。
白江口大戰後，劉仁軌揮師溯江而上，兵不血刃，占領百濟複國軍的都城周留城。百濟的抵抗力量瓦解，黑齒常之、沙吒相如等相續歸附，其他城池更是望風而降，隻剩下一個城池堅決不投降，這就是百濟將領遲受信守衛的任存城。
劉仁軌不僅有卓越的軍事才華，而且慧眼識英雄。當黑齒常之、沙吒相如兩員百濟將領來降時，劉仁軌便一眼看出兩人身上傑出的品質，他做出一個大膽的決定：將攻打任存城的任務交給黑齒常之與沙吒相如二人，不僅保留他們的武裝，還提供給大量糧食。
熊津道行軍總管孫仁師不以為然地說：“這兩個人反反複複，人麵獸心，怎麼可以信任他們呢？”劉仁軌搖了搖頭說：“非也，據我觀察，這二人都是忠勇有謀之輩，為人慷慨有義氣，隻是以前所投靠的人不能好好重用。現在我以誠心相待，他們必將心懷感激，力圖報效，你不必有疑心。”
果然不出劉仁軌所料，黑齒常之與沙吒相如得到糧食與兵源的補充後，果然毫無二心，率軍猛攻任存城，任存城的守將遲受信抵擋不住，棄城投奔高麗。至此，百濟全部落入唐軍之手。
自百濟複國運動興起，唐在百濟的勢力被壓迫在熊津一地，在如此困難的局麵下，劉仁軌臨危受命，解熊津之圍，使孤城在四麵受敵中頑強矗立。其實唐政府對百濟的支援力度非常有限，隨後僅補充七千人的海軍，最終卻以一城之地，而征服百濟，劉仁軌實有一手擎天之功勳。
百濟複國運動的失敗，其深層原因乃是內訌。第一次內訌，道琛被殺；第二次內訌，福信遭屠。由於內部混亂不堪，才給了唐軍可乘之機。
戰爭結束後，卸下戎裝的劉仁軌，又是一位幹練的行政長官，在百濟做了不少好事，“瘞骸骨，籍戶口，理村聚，署官長，通道塗，立橋梁，補堤堰，複陂塘，課耕桑，賑貧乏，養孤老”等等，他實現了在出征前的豪言壯語——掃平東夷，頒大唐正朔於海外。
百濟的滅亡，對其北部的高麗王國來說不啻為地震，高麗已經隱隱看到自己的命運了。