漢軍按照韓信的計畫布置完畢，已經天色微明了。韓信親自率領漢軍，打著大將的旗號和儀仗，敲起戰鼓，吶喊著向井陘口殺來。陳余看到漢軍發起了進攻，認為消滅漢軍的機會到了，立刻傳令趙軍出擊。趙軍漫山遍野，向漢軍衝來，雙方大戰了很長時間。韓信、張耳假裝戰敗，把旗鼓儀仗都扔掉，向綿蔓水方向後退。趙王歇和陳余看到韓信、張耳後退，誤認為漢軍真的打了敗仗，就命令全體趙軍空營而出。十幾萬趙軍一面爭著搶奪戰利品，一面追趕韓信、張耳。
韓信、張耳帶著漢軍主力部隊退到綿蔓水邊，和原來背水列陣的一萬漢軍會合起來，重新同趙軍展開激戰。前面是傾巢追趕過來的敵兵，背後是水深流急的綿蔓水，在這緊要關頭，漢軍要麼是向前拚死殺敵，要麼是後退淹死水中。只見漢軍將士們人人奮勇，個個爭先，無不以一當十，拚死戰鬥。趙軍依仗人多勢眾，往來衝殺了很多次，仍然攻不破漢軍陣地。韓信、張耳指揮的漢軍，就這樣把十幾萬趙軍牢牢地拖住在綿蔓水邊。
再說埋伏在趙營背後的漢軍2000名輕騎兵，一看到趙軍傾巢出動，就立刻乘虛攻入趙營，把趙軍的旗幟全部拔掉，換上了漢軍的紅旗。霎時間，趙軍的大本營竟變成了漢軍的大本營。
趙軍在綿蔓水邊和漢軍苦戰了大半天，沒有取得勝利。陳余看到士兵們往返衝殺，已經疲勞不堪，活捉韓信、張耳的美夢漸成泡影，便下令鳴金收兵。筋疲力盡的趙軍亂鬨哄地往回撤退，走到半路，就遠遠地望見大營的四周已經插滿了漢軍的紅旗，不禁大驚失色，以為趙王已被漢軍俘虜，於是拋戈棄甲，紛紛潰逃。趙將雖然殺了不少潰逃的士兵，依然不能制止趙軍的潰散。佔據趙營的漢軍乘勢殺出，韓信指揮的漢軍主力部隊同時反攻過來，把趙軍全部徹底打垮，斬了趙軍主帥陳余，俘虜了趙王歇。韓信統率的漢軍獲得了井陘戰役的完全勝利。
戰爭結束，漢軍將領一一呈獻斬殺的敵軍首級和上報俘虜敵軍的數字，慶祝這次戰爭的勝利。將領們十分佩服韓信的指揮藝術，但是依然不明白其中的道理，紛紛問道：「按照兵法，行軍布陣應該是右面和背後靠山，前面和左面臨水，現在將軍卻違反兵法規定，背水列陣，並且充滿信心地告訴將士們說，等天明打敗趙軍再一同會餐。我們當時並不相信您的話，可是您竟取得了勝利，這是什麼原因呢？」韓信回答說：「背水為陣在兵法上也是有的，只是諸位沒有考察罷了。兵書上不是說過，『陷之死地而後生，置之亡地而後存』嗎？我之所以要背水列陣，就是按照這個道理。我知道，我在軍中時間不太長，還沒有真正建立起威望來。況且漢軍大多數是剛剛招募來的新兵，缺乏訓練，戰鬥意志不夠堅定，指揮新軍作戰，就好比趕著市上的人群去作戰一樣。因此，必須把他們安置在後退無路的『死地』，才能使他們人自為戰，拚死衝殺；如果把這些士兵配置在安全地帶，有路可逃，一到戰鬥激烈，他們就會爭著逃走，哪裡還會聽從指揮呢！」將領們聽了韓信的解說，都異口同聲地說：「您的計策太妙了，我們哪能趕得上啊！」
韓信破趙之戰，在楚、漢戰爭中是一個重要戰役。由於這次戰爭，使韓信的「背水陣」名傳後世，韓信也從此成為一個靈活運用兵法的著名軍事家。像「背水陣」這樣的戰法，我們今天進行正義戰爭一般不會採用。不過在當時當地，韓信能夠根據敵我雙方的實際情況和趙軍統帥的輕敵思想，靈活運用兵法上的原則，將計就計，進行背水列陣，故意向敵人露出破綻，引誘趙軍脫離有利地形空營來戰，然後用奇兵襲擊趙軍大本營，再兩面夾擊，一戰而勝，全殲趙軍。這些都顯示了韓信卓越的軍事才能。