秦王聽到趙國主將已經換了趙括，心中非常高興，認為打敗趙國的好機會到了。他任命秦國名將白起為上將軍，改任王齕為偏將，增派了大批攻趙部隊，制定攻打趙國的作戰方案。他還下令全軍將士保守機密，誰也不許泄露白起擔任主將的消息，以免引起趙軍的注意。
白起針對趙括沒有作戰經驗、魯莽輕敵的弱點，決定對趙軍採取迂迴包抄的戰術，並進行了具體的戰鬥部署：第一，在長壁構成一個袋形陣地，以主力部隊堅守營壘，阻止趙軍的進攻；第二，把原來在第一線上的軍隊作為誘敵部隊，命令他們受到趙軍進攻就向長壁撤退，引誘趙軍深入包圍圈；第三，在長壁的兩翼布置精兵22000人，準備出其不意地插入趙軍的後方，斷絕它的糧道，並協助長壁的部隊，包圍來進攻的趙軍；第四，另外再派出騎兵5000人插入趙軍營壘的中間，把趙軍分割成為兩部分，使趙軍首尾不能相顧。
公元前260年8月，輕舉妄動的趙括果然指揮趙軍向秦軍發動了大規模的進攻。秦軍先頭部隊假裝敗退。趙括不察虛實，就命令趙軍追擊。趙軍追到長壁，遭到了秦軍的堅強抵抗。這時候，布置在兩翼的22000名秦軍立即出動，插到趙軍的後方，搶佔西壁壘(今山西省高平縣北的韓王山高地)，構成了包圍陣勢。5000名騎兵也迅速插入，往來突襲趙軍。趙軍發動幾次攻擊，都沒有成功，只好就地構築營壘，由進攻改為防禦，等待援軍到來。
秦軍包圍趙軍的捷報傳到秦國都城咸陽(今陝西省咸陽市西北)，秦王就親自來到河內(今河南省沁陽縣一帶)，把當地15歲以上的男丁全部組成軍隊，調到長平戰場，佔據長平東北面的高地，切斷趙括的援兵和糧運。在秦軍的四面合圍下，趙軍增援部隊無法通過，軍隊的給養也斷了來源。到了這年9月，趙軍斷糧已經46天，士兵們餓得沒有辦法，就暗自互相殺食，情況極為嚴重。趙括組織了四支突圍部隊，一齊鳴鼓衝突，企圖打開一條出路，可是一連突圍了四五次，都沒有成功。他在絕望之下，決定挑選一支精銳部隊，全部披上厚甲，騎上戰馬，由他親自率領，強行突圍。不料趙括剛出現在陣前，就被秦軍亂箭射死。趙軍失去了主將，沒人指揮，立刻陷入混亂。秦軍趁機發動猛烈進攻，把趙軍殺得大敗。長平之戰，以秦軍大勝，趙軍慘敗告終。對40萬投降的趙軍，白起竟把他們全部活埋了！這是歷史上極端殘暴地殺害戰俘的典型事例。
長平之戰，秦軍前後共殲滅趙軍45萬人，取得了軍事上的重大勝利。這一仗不但大大地削弱了趙國，而且也鎮服了東方各國，為秦國後來完成統一大業創造了極為有利的條件。這次戰爭的結果是秦勝趙敗，為什麼呢？從秦國方面來說，實行「遠交近攻」孤立了趙國，運用反間計使趙國更換了主將，又採用了後退誘敵、分割包圍等正確的戰略戰術。這些固然對取得勝利起了很大作用；但是更重要的原因，是由於趙國君臣輕率任性，不自量力，在完全沒有把握的情況下，貿然與強敵進行決戰。趙括這個「紙上談兵」的軍事家慘遭失敗，對一切只會說空洞的大道理而不注重實際的人，都是一個重要的歷史教訓。