日本水师不习惯大规模水战，而且唐的大型船队早已先抵达白村江，严阵以待日本水师的来到，因此，唐军在心理上自然较有余裕。
唐军采取以发射火箭焚烧日本兵船的战法。日本水师也有火箭，并且也拼命发射；但对巨船而言，火箭并不是有效的克制武器，因为纵然船只的一部分着火，也能迅速扑灭。小型船只则不然，一旦着火，很快就会烧及全船；烧成一团火的兵船，势必为了逃命被迫到处乱窜。结果又纷纷撞上其他友船，火苗也跟着蔓延。
日本船只一艘又一艘地被火焰吞噬。根据唐的记录，燃烧的日本船只达四百艘。“烟焰灼天，海水皆赤。”虽然史书上只有寥寥几句，实际上，这是一场凄烈无比的水战。
水战延续两天。唐军的战法是彻底的联系作战。敌不过巨大船体和猛烈火箭攻击的日本兵船，在掉转船首企图逃逸时，又发现有部分唐军巨船已绕到前面，在慌张得不知所措时，日本兵船又受到猛烈的攻击。
日军溺死者不计其数，勇将朴市田来津亦于此役阵亡。
白村江之役成为胜败的决定性一战。由于万余日本援军受阻于河口，上游的周留城遂告孤立，最后终被攻陷。百济王丰璋搭船亡命至高句丽，王子忠胜和忠志则率领部下向唐投降。
在白村江吃了败仗后，日本完全丧失了在朝鲜半岛的桥头堡，更由于接收许多来自百济的亡命者，日本与唐的关系，当然亦日趋恶化。与之相反，唐因这次战胜而得到巨大的收获。由于百济灭亡，高句丽已完全孤立；而且高句丽由于内部分裂，与唐的作战再也振不起士气。
白村江之役五年后，唐终于成功地并吞高句丽。朝鲜半岛北半部成为唐的版图，南半部则为亲唐而统一的新罗，再也不存在其他不友好势力了。也就是说，太宗未能完成的功业，终于在高宗时代实现。
战争必须以人和为重――这是此役给予我们的教训。濒临亡国边缘的百济和高句丽，内部的争执一直不曾间断。
“卿由海东奏报前来之事，皆合乎时宜，而且文章甚为流畅。卿以武人而有此才华，实在值得嘉许。”高宗对凯归长安的刘仁愿如此嘉许时，后者答奏：“那都是出自刘仁轨的手笔，微臣根本无此才华。”
于百济作战期间，唐军首脑何等彼此配合，由此可见一斑。
由于周留城沦陷，在百济的反唐活动，只剩以迟受信为首据守任存城的少数人。刘仁轨起用百济降将黑齿常之攻打任存城，将之攻陷。迟受信抛弃家族，逃至高句丽，百济因而完全平定。
唐为纪念这次的胜利，建立了“大唐平百济塔”，这座塔现在还残存于忠清南道的扶余。
