麟德二年（公元665年）高宗到泰山封禅时，刘仁轨带领新罗、百济、儋罗、倭国这四个属国的酋长奔赴泰山参加祭典集会。高宗大悦，擢升刘仁轨为大司宪兼知政事。 乾封元年（公元666年），迁右相，封乐城县男。 乾封三年（公元668年），刘仁轨出任辽东道安抚副大使、辽东道行军副大总管、熊津道安抚大使兼浿江道总管，他先于六月前赴新罗征调其兵马夹攻高句丽，然后北上，作为司空李勣[jì]的副手，协助其攻灭高句丽。同年9月，唐军长驱直入，一举攻占平壤。至此，高句丽全部平定，朝鲜半岛均为大唐所辖。 咸亨元年（公元670）八月，复授陇州刺史，以备吐蕃。咸亨三年（672年），拜太子左庶子、同中书门下三品，监修国史。 咸亨五年（公元674年）任鸡林道大总管，东征新罗。率唐军横渡瓠芦河，攻克新罗重镇七重城。以功进封为乐城县公，他的儿子以及侄子中有三个人被授予上柱国头衔，乡里为此感到光荣，把他的故居称为“乐城乡三柱里”。 上元二年（公元675年），拜尚书左仆射、同中书门下三品，兼太子宾客，依旧监修国史。 仪凤二年（公元677），吐蕃入寇，刘仁轨任沸河道行军镇守大使，抵御吐蕃。 永隆二年（公元681年）兼任太子太傅。不久后，他上书请求致仕。高宗同意他辞去尚书左仆射之职，仍以太子太傅之衔知政事。 永淳元年（公元682年）高宗游幸东都洛阳，留皇太子李显在长安处理军政事务，令刘仁轨与裴炎、薛元超辅佐太子。次年八月，李显奉诏赶赴洛阳，由唐昌郡王李重福继任（一作皇太孙李重照）留守，刘仁轨任副留守。 公元683年，?唐高宗晏驾后，武则天亲政，重新任命刘仁轨为尚书左仆射。 武后光宅元年（公元684年），加授特进，复拜尚书左仆射，专知西京留守事，进封郡公。刘仁轨以年老体弱为由而上疏推辞，请求免除自己的留守之任。他还乘机陈述西汉吕后乱政败亡之事，以申明对武则天的讽谏之意。武则天得诏后，派侄子武承嗣专程前往长安慰问刘仁轨。 垂拱元年（公元685年）遵从新令，改任文昌左相、同凤阁鸾台三品。正月二十二日（3月2日）逝世，享年八十四岁。武则天为其辍朝三日，命在京官员依次到他家中吊祭，追赠开府仪同三司、并州大都督，陪葬乾陵，赐其家实封三百户。
