百濟雖亡，但百濟將軍武王從子鬼室福信與浮屠道琛等人率部死守周留城，誓死抵抗唐軍。
同時，鬼室福信為迎回以前赴日本為人質的王子扶餘豐回國即位，遣使去日本，同時向日本乞師求援，並獻上戰爭中俘虜的唐軍百餘人，天皇將此百餘人安置在美濃國不破郡、片縣郡二地，這裏也就是今天位於本州中部的岐阜地區。
百濟的覆滅，對日本來說是極大損失。如果聽任百濟亡國，則日本在朝鮮半島上的勢力將被全滅。
日本齊明天皇七年（661年）正月，以天皇親征的形式，向百濟發兵數萬。齊明天皇領軍西行到九州，突然病逝於朝倉宮，太子中大兄回京素服稱制，是謂天智天皇。
齊明天皇之死，並沒有動搖日本出兵百濟的決心。
8月，另派安曇比羅夫等為前將軍，阿倍引田比羅夫等為後將軍，統帥全軍開赴百濟。
9月，新天皇天智天皇派狹井檳榔等率軍五千護送王子扶餘豐回國，至百濟境，鬼室福信等前來迎入周留城，即王位。
唐高宗在出兵百濟獲勝後，於龍朔元年（661年）4月，遣仁雅相、蘇定方率軍進攻高句麗。高句麗與鬼室福信聯合，共同抵抗唐軍。
鬼室福信率軍曾一度圍困劉仁願軍於百濟王城，但遭劉仁軌與新羅軍夾擊，被迫撤軍，遂解圍城之危。高句麗惟恐鬼室福信兵敗，使本國遭南北夾擊，因而也遣使於662年3月赴日本乞師，敦促日軍迅速開赴戰場，與唐軍作戰。
決心參戰的日本朝廷，遂命令在百濟戰場的日軍立刻投入戰鬥。
662年6月，日本前將軍上毛野稚子等率軍二萬七千人進攻新羅，佔領沙鼻歧、奴江二城，使新羅與唐軍的聯繫通道受到威脅。
這時的戰爭形勢已非常微妙，朝鮮半島形成南北兩個戰場。
在北方戰場，高句麗與唐軍基本形成了對峙的局面，由於地形限制的緣故，唐軍的進展始終不大。而在南方戰場由於日軍的介入，戰爭形勢已經轉向日軍和百濟軍方面了。
唐軍兵源在南方得不到補充，雖然唐軍與新羅的聯軍的還未遭到敗績，但整體上逐漸居於守勢。
不久，百濟發生驟變，棟梁大將鬼室福信功高震主，不容於百濟王扶餘豐，以謀反之罪被殺，百濟國人心思變，戰力受到極大的削弱。
663年8月初，日本援軍將至，百濟王豐率部分軍隊自周留城赴白江口（今錦江口）迎接。白江口係朝鮮半島上的熊津江（今南韓之錦江）入海處形成的一條支流白村江的入海口。周留城則有百濟軍及日軍聯合守衛。
這時，唐右威衛將軍孫仁師率七千援軍與劉仁軌會師後，分兵兩路進攻周留城。劉仁願、孫仁師以及新羅王金法敏統帥陸軍，從陸路進攻周留城。劉仁軌、杜爽率領唐水軍和新羅水軍從熊津進入白江口，溯江而上夾擊周留城。
8月十三日，劉仁願所部進逼周留城週邊。而百濟軍則因鬼室福信之死，士氣極其低落，儘管有日軍相助，但還是難以抵抗唐軍的進攻。
周留城周圍的城池，逐一被唐軍攻克，百濟守軍相續投降。但周留城外的任存城地勢險要，為周留之扼口，有將軍剋死用兵，唐軍圍攻一個月依舊不曾攻克，周留城因此得以暫時保全。
在劉仁願率軍向周留城進軍的同時，劉仁軌率唐和新羅海軍駛向白江口，企圖溯江北上進逼該城。當劉仁軌所率海軍駛抵白江口時，與先期前來的日本海軍相遇。
「倭船千艘，停在白沙，百濟精騎，岸上守船」。劉仁軌立刻下令布陣，170艘戰船按命令列出戰鬥隊形，嚴陣以待。
663年8月27日上午，日軍戰船首先開戰，衝向唐軍水陣。由於唐軍船高艦堅利於防守，日軍船小不利於攻堅，雙方戰船一接觸，日軍立刻處於劣勢。
日軍的指揮官慌忙下令戰船撤回本隊，其指揮互相計議說：「我等爭先，彼當後退。」遂各領一隊戰船，爭先恐後毫無次序地衝向早已列成陣勢的唐海軍。
唐軍統帥見日軍軍旅不整，蜂擁而至，便指揮船隊變換陣形，分為左右兩隊，將倭軍圍在陣中。日軍被圍，艦隻相互碰撞無法迴旋，士兵大亂。日軍大將樸市田來津雖然「仰天而誓，切齒而釁」，奮勇斬殺數十唐軍，直至戰死，但亦無力挽回戰局。
不過片刻之間，日軍戰敗，落水而死者不計其數。《新唐書》記載：此次海戰「四戰皆克，焚四百船，海水為丹。」百濟王先在岸上守衛，見日軍失利，乘亂軍之際，遂逃亡高句麗。
唐軍白江口得勝消息傳到周留城，9月7日守城的百濟王子餘忠、勝忠等率守軍投降。日本陸軍忙自周留城及其他地區撤離，百濟境內日軍集結於以禮城，於9月19日撤回日本。
白江口之戰結束了新羅與百濟間的長期糾紛，同時使日本停止對朝鮮的擴張，大約在九百餘年之內未曾向朝鮮半島用兵；另一方面，唐滅百濟，五年之後攻滅高句麗，與唐友好的新羅終以統一大同江以南的朝鮮半島。並作為唐朝北方同盟國的防線。
倭國在百濟滅亡後，接納了許多來自百濟的難民，在此同時，唐跟倭國之間的對立增加了。受到這種影響，日本天智天皇制定了稱之為近江令的法令群，快速的重整了整個國家體制。到了天武天皇掌權時，其下令制定了飛鳥淨御原令以及律令法等，將日本快速的導向為律令制國家。
接著在701年時，由於大寶律令的制定，日本將國號從倭國改為日本。
受白村江之戰的刺激，日本天智天皇決定強化日本的國土防禦。在對馬和九州北部築造水城防禦唐軍的進攻。並於瀨戶內海沿岸各地築造朝鮮式的城堡進行防禦。 667年，天皇從難波遷往內陸部的近江京。
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