新罗方面则由文武王金法敏亲自挂帅，金庾信、金仁问、金天存、金竹旨等新罗大将悉数参战，派出的兵力应当在12万人。因此，唐罗联军的总兵力应当在45万人。
两军会合后，接下来就是制定作战计划。柴哲威建议先打加林城——加林城位于泗沘城南面，是扼守熊津江的要冲，也是复国军的重要据点，拿下加林城，就等于控制了熊津江下游。而刘仁轨则建议水陆并进、强攻周留城，一举拔除复国军的老巢。
最后，众将接受了刘仁轨的建议，由孙仁师、刘仁愿和新罗王金法敏指挥联军从陆路进攻周留城；由刘仁轨、杜爽率水师沿熊津江顺流而下，绕道海路，与陆军协同作战。
毛野稚子、阿倍引田比罗夫率领的日军主力并没有直接在百济登陆，帮助复国军作战，而是声东击西，突然在新罗腹背地区登陆，一举攻占了沙鼻歧、奴江二城。由于在攻城期间遭到了新罗军民的顽强抵抗，日军在破城后大肆屠杀，结果引起了新罗军民更大规模的反抗。毛野稚子和阿倍引田比罗夫被逼无奈，只能死守城内，等待增援。
从日军的军力分布和攻击方向可以看到，日军所采取的战略与七年前唐军渡海援救新罗如出一辙：先派小股部队护送扶余丰回国，同时帮助复国军稳定战局，等主力到达后直接攻击战斗力不强的新罗军，待击溃新罗后，主力部队便与后援会合，最后与唐军进行决战。
但两拨日军并没能扭转百济的局势，受到巨大压力的新罗文武王金法敏不得不再次与唐军联手，周留城的形势更加危急了。扶余丰只能再次派使者向日本求援。
中大兄皇子得悉百济危在旦夕，深知决战时刻已经到来，便再次发出动员令，刮地为兵，组织了第三拨远征军，总数万余人，由庐原君率领，星夜驰援百济。
扶余丰得到中大兄皇子又派援兵前来的消息后，连忙找来阿云比罗夫和朴市田来津两人商议，最后决定，一边向毛野稚子的日军主力求援，一边主动出海，接应日军第三拨援军，然后凭借日军在海上的绝对“优势”与唐军决战。
很快，扶余丰与朴市田来津就率领周留城复国军主力出海，赶往白江口（即熊津江口），而周留城则由扶余忠胜和阿云比罗夫共同把守。
毛野稚子接到扶余丰的求援后，立刻集结部队放弃了沙鼻歧、奴江二城，趁夜色登船出海，沿着百济西南海岸赶往白江口。
唐军将领和扶余丰都已意识到，左右百济战局的胜负手，就是日本援军。日军主力若能成功登陆，必将使复国军的实力得到极大的提升；对唐军而言，击败日军，就成为取得反攻胜利的关键。因此，刘仁轨率水师南下的另一个目的，就是截击可能在白江口登陆的日军主力。
很快，孙仁师、刘仁愿与新罗王金法敏率唐罗联军攻占了周留城外围的重要据点豆良城，继续向周留城逼近。唐罗联军进逼周留城的同时，刘仁轨、杜爽、扶余隆率领的唐军水师也已抵达白江口，继而利用战船的优势抢占有利位置，于熊津江上严阵以待。
很快，日军和复国军就在海上会合，组成联合舰队向白江口逼近。复国军的骑兵则在岸边护卫船队。
最后的决战即将到来。
开战之前，让我们先来看一下双方的实力对比：
唐朝水师约有7000余人，战船170艘；联合舰队约有万余人，战船1000多艘。唐军舰队虽然在数量上处于劣势，但拥有很多体积大、抗风浪能力强、机动性好、能够携带大量粮草物资的大型海上战船，而且很早就开始采用楼船、蒙冲、斗舰、走轲、游艇、海鹘等多种战船相互配合的作战方式，因此在战斗力上要远远超过日本水军。
水上的战斗尚未打响，陆上负责掩护的新罗军率先发起进攻，大败复国军骑兵，迫使联合舰队无法立即登陆，只能逆白江口而上，与唐军水师硬碰硬。
联合舰队集结完毕后，立刻凭借数量优势发起进攻。结果一冲就乱了阵型——唐军水师以楼船、海鹘等大型战船压阵，以斗舰、走舸在左右两翼游击，对冲过来的联合舰队前锋形成夹击之势，使其三面受敌，无法回旋。唐军战船机动性强，又配备了拍竿等击打武器，靠上去对准就是一顿猛拍，直接摧毁敌人的战船。猛拍之后，唐军水师士兵再冲上敌船与敌人短兵相接。
混战中，日军大将朴市田来津战死。
初次交锋，唐军水师旗开得胜。
次日，联合舰队再次向唐军舰队发起攻击。
此时，两军交锋的战场已经由熊津江口转移到了入海口附近——唐军在上游，得胜之后要追击；联合舰队在下游，打了败仗要撤退，自然要逃往入海口。
由于第一次交锋的地点在河道，江面相对狭小，两军都无法展开全部兵力；而这一次的战场是在较为宽阔的入海口，两军都是倾力一战。
关于这次战斗的指挥者，一般都认为是刘仁轨。但刘仁轨是文臣，出谋划策是其长项，能不能打仗，尤其是打水战，就要划上一个大大的问号了。而且刘仁轨当时已经60多岁了，现学似乎也来不及。
那么，真正指挥唐军水师作战的是谁呢？
应当是三朝老将、熊津总管刘德敏。刘德敏是个精通水陆各种战法的老手。王勃在《常州刺史平原郡开国公行状》一诗就就称赞刘德敏：“三门五垒，得破敌之奇谋；火舰云梯，总行军之妙法。”很显然，刘德敏是个水战高手。有他在，刘仁轨便可坐看唐军威风八面了。
刘仁轨坐镇，刘德敏具体指挥，杜爽冲锋陷阵，唐军水师借助风势，对联合舰队发起火攻，四战四捷，焚毁和击沉敌船400余艘，大获全胜。
联合舰队一溃千里，百济王扶余丰见大势已去，便带了几个随从换乘小船冲出重围，从海路逃往高句丽，从此下落不明。日军大将阿倍引田比罗夫被俘投降。
白江口海战是中国历史上第一次大规模的对外海战，不但歼灭了日本大部分精锐部队，也粉碎了日本侵入朝鲜半岛的野心。中大兄皇子担心唐军会从海上进攻日本本土，于是改变策略，采取守势，用了十几年时间在本州西部和九州北部大量修筑烽火台，构筑了四道防线来保卫日本本土。
唐军水师在白江口全歼联合舰队的消息很快就传到了周留城。在唐罗联军的强大压力下，留在周留城的扶余忠胜、扶余忠志等百济贵族已无斗志，很快就率复国军及日军余部投降。在复国军中郁郁不得志的百济名将黑齿常之，不久之后就与另一位百济将领沙咤相如一起，主动归降唐军。而日军大将阿云比罗夫则率本部人马撤离百济，返回日本。
到十月中旬，百济故土的复国军余部基本被唐罗联军肃清，唯有复国军的发源地——任存城仍在坚守。镇守任存城的是百济大将迟受信。任存城地势险要，城防坚固，粮草充足，新罗军攻了几次没攻下来便撤退了。接下来，唐军继续猛攻十几天，任存城依旧岿然不动。
这时，刘仁轨建议由刚刚归降的原复国军大将黑齿常之、沙咤相如二人率本部人马前去攻城，唐罗联军负责提供粮草。孙仁师坚决反对起用降将，认为让黑齿常之、沙咤相如去攻城，那就等于放虎归山。
刘仁轨却认为，黑齿常之是复国军的元老宿将之一，最早就是在任存山大寨一带起兵，对山城的情况十分熟悉，让他带着人马前去攻打，不仅熟门熟路，还能摧垮守军斗志，可谓一举两得。此外，经过三年多的战乱，百济故土百业凋敝、民不聊生，黑齿常之和沙咤相如即便有心作乱，也是无力回天了。
刘仁愿采纳了刘仁轨的建议，命黑齿常之和沙咤相如率部为先锋，再去攻打任存城。
黑齿常之和沙咤相如最担心的就是唐军不信任他们，能够捞到卖命立功的机会，自然是“感激”万分，很快就带着人马攻下了任存城，给唐军献上了一份大大的“投名状”。
任存城守将迟受信抛下妻儿，突围而去，只身逃往高句丽。
任存城的沦陷，也标志着百济复国运动的结束。
攻克任存城之后，黑齿常之被唐朝授予正五品下的折冲都尉。从此以后，黑齿常之就成为唐军中的一员猛将，开始了下半生的辉煌。
从660年（唐高宗显庆五年）八月到663年（唐高宗龙朔三年）十一月，唐、高句丽、百济、新罗、日本在朝鲜半岛进行了三年多的拉锯战，在这场前后持续了41个月的拉锯战中，拥有五百多年历史的古国百济灭亡了，日本妄图染指朝鲜半岛的野心和行动也因白江口之战的惨败而被粉碎了。
白江口海战的结局，使得以百济为中心的东北亚局势发生了翻天覆地变化。
五年后，唐军南北夹击，攻灭高句丽；半岛上仅存的强国、唐朝的盟友新罗强大起来，逐渐吞灭其他半岛势力，建立了统一的新罗王朝。
唐朝确立了在东北亚地区的霸主地位，控制了以东海丝路为核心的广阔海域，初步实现了辽海图霸的战略目标。
白江口惨败对日本上下的自信心造成了毁灭性的打击，但唐军并未向日本本土出兵，给了日本上下以喘息之机。中大兄皇子认识到了日本与唐朝存在的巨大差距，于是主动向唐朝示好，开始重新派人前往唐朝学习先进的文化制度，开始了长达两个多世纪的“遣唐使”岁月。