百濟王子扶余忠勝、扶余忠志率領自己的兵眾及倭軍、耽羅國使投降，只有主帥遲受信佔據的任存城還未被攻克。

當初，蘇定方滅亡百濟，主將沙吒相如、黑齒常之糾集潰卒，憑藉險要地勢接應鬼室福信。白江口之戰後，二人投降唐軍。

劉仁軌展示誠意，讓他們攻取任存城來證明自己的真誠，又為其補充軍械、糧草。孫仁師認為此舉可能會招致他們反叛。

劉仁軌說：“我觀察沙吒相如、黑齒常之真誠並有謀略，乘機立功，還懷疑什麼？”

沙吒相如等最終攻克了任存城，遲受信獨自逃往高句麗，百濟的殘餘勢力被全部消滅。孫仁師等人班師回朝，朝廷令劉仁軌率軍留鎮百濟。

百濟兩次遭受戰亂，境內受到嚴重的破壞，劉仁軌命令對死者進行掩埋祭奠。

他重新登記戶籍，設定官署屬吏，開闢道路，建設村莊，修復堤壩塘堰，救濟貧困人家，鼓勵農業生產，替他們建立土地神廟，百濟的民眾都安居下來。

守軍於是墾種土地，籌劃平定高句麗。

劉仁願回到京城，高宗慰問他說。

“你本是武將，但這次寫來的奏表文書，都合乎禮儀，這是怎麼做到的？”

劉仁願回答說：“都是劉仁軌的手筆，不是我能寫出來的。”

高宗讚賞劉仁軌，破格提拔他六級官階，正式任命他為帶方州刺史，並在長安獎賞一處住宅，加賜其家屬。高宗特派使者送去蓋有御印的文書，對劉仁軌進行表彰。

在太宗貞觀、高宗永徽年間，朝廷都特派使者慰問祭奠陣亡的將士，有的還把贈授的官職爵位轉授給他的後輩擔任。

顯慶以後，獎賞出征將士的事幾乎不復存在。到平百濟、圍平壤時，有功的人完全沒有甄別任用。州縣徵募兵役，人們不願當兵出征，身體健壯、家境富裕的人，用財物到官府打通關節，都可以逃避徵調。

招募到的人都愚弱貧困，缺乏鬥志。劉仁軌全面論述了不計功行賞的弊病，要求朝廷對出征將士給予慰勞獎賞，以便鼓舞士氣。

劉仁軌還呈遞奏表，建議任用扶余隆，令其安撫百濟民眾。高宗對他的建議表示同意，並授扶余隆為熊津都督。

當時，劉仁願任卑列道總管，高宗令他接替劉仁軌駐守百濟，然後二人再一起回國。

劉仁軌說：“皇上巡視各地，還要籌劃平定高麗。眼下正值農忙季節，如果官兵全被接替，新來的人不熟悉情況，萬一這裡發生變故，誰能保衛？不如留下原來的部隊收割完畢之後，分批派他們回國。我應當留下，還不能離開。”

劉仁願不同意，說：“我只知道執行詔令。”

劉仁軌說：“不對。如果對國家有利，知道該做就沒有不做的，這是臣下應守的節操。”

於是向朝廷陳述利害關係，請求留守百濟。高宗同意，並因此認為劉仁願不忠。

麟德二年，高宗到泰山封禪時，劉仁軌帶領新羅、百濟、儋羅、倭國這四個屬國的酋長奔赴泰山參加祭典集會。高宗非常高興，擢升劉仁軌為大司憲兼知政事。

乾封元年六月，劉仁軌遷右相，兼檢校太子左中護。根據前後戰功，高宗封劉仁軌為樂城縣男。

總章元年，劉仁軌出任熊津道安撫大使兼浿江道總管，作為司空李積的副手，協助其攻滅高句麗。

次年，唐軍回師，劉仁軌乞老歸養，高宗加授其為金紫光祿大夫，允其致仕。

咸亨元年，劉仁軌復出，被任命為隴州刺史。

咸亨三年，劉仁軌入朝為太子左庶子。十二月，升任同中書門下三品，並監修國史。

咸亨四年三月，因“許敬宗等所記多不實”，高宗令劉仁軌等改修國史。

咸亨五年，任雞林道大總管，東征新羅。劉仁軌率唐軍橫渡瓠蘆河，攻克新羅重鎮七重城。以功進封為樂城縣公，他的兒子以及侄子中有三個人被授予上柱國頭銜，鄉里為此感到光榮，把他的故居稱為“樂城鄉三柱裡”。

次年，劉仁軌入朝為尚書左僕射、同中書門下三品兼太子賓客、監修國史，仍舊主持政務。

儀鳳二年五月，吐蕃進犯扶州臨河鎮，唐軍兵敗，朝廷任命劉仁軌為洮河道行軍鎮守大使，以圖取吐蕃，“於是始有久戍之役”。

劉仁軌的建議屢遭中書令李敬玄反對，他因此懷恨在心。劉仁軌明知李敬玄不是將才，但是因為一心想報復李敬玄，所以上奏道：“西邊鎮守的重任，非李敬玄不可。”

李敬玄推辭不掉。次年九月，李敬玄在青海之戰中兵敗，被貶為衡州刺史。

永隆二年，劉仁軌兼任太子太傅。

不久後，他上疏請求致仕。高宗同意他辭去尚書左僕射之職，仍以太子太傅之銜知政事。

永淳元年，高宗遊幸東都洛陽，留皇太子李顯在長安處理軍政事務，令劉仁軌與裴炎、薛元超輔佐太子。

次年八月，李顯奉詔趕赴洛陽，由唐昌郡王李重福繼任留守，劉仁軌任副留守。

弘道元年十二月，高宗駕崩，皇太后武則天執政，加授劉仁軌為特進。