公元663年8月初，日本援军将至，百济王丰率部分军队自周留城赴白江口（今锦江口）迎接。白江口系朝鲜半岛上的熊津江（今韩国之锦江）入海处形成的一条支流白村江的入海口。周留城则有百济王子及日军联合守卫。这时，唐右威卫将军孙仁师率七千援军与刘仁轨会师后，分兵两路进攻周留城。刘仁原、孙仁师以及新罗王金法敏统帅陆军，从陆路进攻周留城。刘仁轨、杜爽率领唐水军和新罗海军从熊津进入白江口，朔江而上夹击周留城。8月十三日，刘仁原所部进逼周留城周边。而百济则因鬼室福信之死，士气极其低落，尽管有日军相助，但还是难以抵抗唐军的进攻。周留城周围的城池，逐一被唐军攻克，百济守军相续投降。但周留城外的任存城地势险要，为周留之扼口，将军克死用兵，唐军围攻三旬依旧不曾攻克，周留城因此得以保全。
在刘仁原率军向周留城进军的同时，刘仁轨率唐和新罗海军驶向白江口，企图溯江北上进逼该城。当刘仁轨所率海军驶抵白江口时，与先期前来的日本海军相遇。“倭船千艘，停在白沙，百济精骑，岸上守船”。刘仁轨立刻下令布阵，170艘战船按命令列出战斗队形，严阵以待。西元663年8月27日上午，日军战船首先开战，冲向唐军水阵。由于唐军船高舰坚利于防守，日军船小不利于攻坚，双方战船一接触，日军立刻处于劣势。日军的指挥员慌忙下令战船撤回本队，其指挥互相计议说：“我等争先，彼当后退。”遂各领一队战船，争先恐后毫无次序地冲向早已列成阵势的唐海军。日军坐井观天，妄自尊大，竟然认为将智兵勇，唐军见之，必然自动退去，于是浩浩荡荡地闯进了唐军的埋伏圈。唐军统帅见日军军旅不整，蜂拥而至，便指挥船队变换阵形，分为左右两队，将倭军围在阵中。日军被围，舰只相互碰撞无法回旋，士兵大乱。日军指挥朴市田来津虽然“仰天而誓，切齿而衅”，奋勇击杀，直至战死，但亦无力挽回战局。不过片刻之间，日军战败，落水而死者不计其数。《新唐书》记载：唐军与日军海战，“四战皆克，焚四百船，海水为丹。”百济王先在岸上守卫，见日军失利，乘乱军之际，遂逃亡高句丽。
唐海军白江口大捷的消息传到周留城，9月7日守城的百济王子余忠、胜忠等率守军投降。日本陆军忙自周留城及其他地区撤离，百济境内日军集结于以礼城，于9月19日撤回本国。唐日海军白江口之战，结束了新罗与百济间的长期纠纷，同时使日本受到严重打击。日本失败的直接后果是，停止了对朝鲜半岛的扩张，大约在九百余年之内，未曾向朝鲜半岛用兵。另一方面，唐灭百济，五年之后灭亡高句丽，与唐友好的新罗强大起来，逐渐统一半岛。
中日第一战，日本的惨败给予日本的自信心以极大的打击，此后十年间，日本采取守势，在本州西部和九州北部大量增筑烽火台，布置重兵防守，闹到人心惶惶。然而，唐在帮助新罗统一了朝鲜半岛后，却并未向日本本土出兵。日本也由此认识到自身的不足，打开国门，加强与唐和新罗的交流，积极学习先进的制度与文化，取得了“大化改新”的辉煌成果。之后数百年，日本与唐、新罗、渤海等国间有着微妙的关系。之后九百年不敢入侵朝鲜直到丰臣秀吉时代。
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