太宗於是下詔慰勞說。
“你的職位雖低，但竭盡忠誠以奉事國家，所論之事，朕都十分讚賞。”
不久，劉仁軌被授為新安縣令，累官至給事中。
劉仁軌雖為官清廉剛正，但是為得寵的中書侍郎李義府厭惡。
唐高宗顯慶四年（659年），劉仁軌因處理“畢正義案”得罪李義府，被貶為青州刺史。
顯慶五年，高宗發兵征討百濟，劉仁軌奉命督海運。
李義府在明知時機不當的情況下，強行督促他出海。
結果，船隊在途中遇風沉沒，死傷嚴重。
朝廷派監察御史袁異式審訊。
結案後，李義府對高宗說：“不斬劉仁軌，無法向百姓謝罪。”
舍人源直心說：“海風暴起，這不是憑藉人力所能預料的。”
高宗於是僅將劉仁軌免職，以白衣（平民）的身份隨軍。
李義府又示意郎將劉仁願將他殺死，因劉仁願不忍而作罷。
同年，左武衛大將軍蘇定方平定百濟。
戰後，劉仁願被任為都護，與新羅王金春秋的少子金仁泰共同鎮守百濟都城泗沘城。
唐朝在百濟設立熊津都督府，任命左衛中郎將王文度為熊津都督。
但王文度在渡海時病亡，高宗於是授劉仁軌檢校帶方州刺史，代替王文度統軍。
顯慶六年，百濟舊將僧道琛、鬼室福信等人立故王子扶余豐為王，興起百濟復國運動，起兵反抗唐軍，圍攻劉仁願於府城。
劉仁軌與新羅軍一起援救劉仁願，並擊退圍攻百濟軍，與城中的劉仁願會合。
當時，蘇定方圍攻高句麗都城平壤已久，因戰事不利，又值大雪，遂退出平壤。
劉仁軌自請留守百濟。
高宗令劉仁軌率部前往新羅，與金法敏商議唐軍去留的問題。
眾將士都想回國，劉仁軌說：“按照《春秋》的義理，大夫出征國外，只要是可以使朝廷安寧、國家有利的事，就得專心一意地去做。如今皇上準備消滅高麗，首先消滅了百濟，留下部隊鎮守，控制了它的要害。雖然叛賊強橫，但它的兵卒勞役並不充足，我們應當磨好刀槍，餵飽戰馬，趁它沒有準備，打它個措手不及，百戰百勝萬無一失。到了勝利無疑的時候，擺開決戰陣勢，驅馬傳遞文書請求朝廷增派軍隊，聲援接應，敵人就可消滅了。眼下平壤沒有攻克，熊津又放棄了，那麼百濟死灰復燃，消滅高麗就不知是哪年哪月了。我們雖然駐進了新羅國，但這正像客人一樣，發生了不稱心的事，後悔還來得及嗎？百濟的扶余豐對鬼室福信心懷猜忌，貌合神離，勢必支撐不了多久。我們應當堅守待變，屆時再乘亂消滅他們。目前還不可輕舉妄動。”
劉仁軌的諫奏不但讓高宗滿意，眾臣也交口稱讚。
事態的發展果如其料。在時機成熟後，劉仁軌先發制人，派人偵察扶余福信修建的真峴城軍情。
隨後，他引新羅軍乘夜襲擊真峴城，悄悄攀牆，至拂曉破城而入。
唐軍自此“遂通新羅運糧之路”。
百濟王扶余豐猜疑鬼室福信爭權，將其殺死。
他又聞唐軍驟至，急遣使者到倭國、高句麗求援。
龍朔三年，倭國將領毛野稚子等率二萬七千人攻新羅，朝廷令右威衛將軍孫仁師率軍渡過渤海到來，與劉仁軌等會師。唐軍士氣因而大振。
這時，眾將討論進攻目標，有人說：“加林城是水陸交通要道，何不首先攻打它？”
劉仁軌說：“加林城地勢險阻守衛堅固，進攻就會大量傷亡，守衛也會曠日持久。周留城，是敵巢，敵軍頭目都集聚在那裡。如果攻克周留城，其餘各城自然就好奪取了。”
按照唐軍部屬，孫仁師、劉仁願及新羅國王金法敏於是率領陸軍進發，劉仁軌則與杜爽、扶余隆率水軍沿著熊津、白江進軍，與陸軍會合。
劉仁軌在白江口遇上了倭軍，唐軍四戰皆捷，焚燒倭國戰船四百艘，一時間“煙焰漲天，海水皆赤”，倭軍大敗。扶余豐脫身逃走，所佩寶劍被繳獲