小不利于攻坚，双方战船一接触，倭军立刻处于劣势。倭军的指挥员慌忙下令战船撤回本队，其指挥互相计议说：“我等争先，彼当后退。”遂各领一队战船，争先恐后毫无次序地冲向早已列成阵势的唐海军。

倭军坐井观天，妄自尊大，竟然认为将智兵勇，唐军见之，必然自动退去，于是浩浩荡荡地闯进了唐军的埋伏圈。唐军统帅见倭军军旅不整，蜂拥而至，便指挥船队变换阵形，分为左右两队，将倭军围在阵中。倭军被围，舰只相互碰撞无法回旋，士兵大乱。倭军指挥朴市田来津虽然“仰天而誓，切齿而衅”，奋勇击杀，直至战死，但亦无力挽回战局。不过片刻之见，倭军战败，落水而死者不计其数。《新唐书》记载：唐军与倭军海战，“四战皆克，焚四百船，海水为丹。”百济王先在岸上守卫，见倭军失利，乘乱军之际，遂逃亡高句丽。

唐海军白江口大捷的消息传到周留城，九月七日守城的百济王子余忠、胜忠等率守军投降。倭国陆军忙自周留城及其他地区撤离，百济境内倭军集结于以礼城，于九月十九日撤回本国。唐倭海军白江口之战，结束了新罗与百济间的长期纠纷，同时使倭国受到严重打击。倭国失败的直接后果是，停止了对朝鲜半岛的扩张，大约在千余年之内，未曾向朝鲜半岛用兵。另一方面，唐灭百济，五年之后灭亡高句丽，与唐友好的新罗强大起来，逐渐统一半岛。

中日第一战倭国的惨败给予日本的自信心以极大的打击，此后十年间，日本采取守势，在本州西部和九州北部大量增筑烽火台，布置重兵防守，闹到人心惶惶。然而，唐在帮助新罗统一了朝鲜半岛后，却并未向日本本土出兵。日本也由此认识到自身的不足，打开国门，积极向唐朝学习先进的生产文化，巩固了“大化改新”的辉煌成果。

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