秦王听到赵国主将已经换了赵括，心中非常高兴，认为打败赵国的好机会到了。他任命秦国名将白起为上将军，改任王龁为偏将，增派了大批攻赵部队，制定攻打赵国的作战方案。他还下令全军将士保守机密，谁也不许泄露白起担任主将的消息，以免引起赵军的注意。
白起针对赵括没有作战经验、鲁莽轻敌的弱点，决定对赵军采取迂回包抄的战术，并进行了具体的战斗部署：第一，在长壁构成一个袋形阵地，以主力部队坚守营垒，阻止赵军的进攻；第二，把原来在第一线上的军队作为诱敌部队，命令他们受到赵军进攻就向长壁撤退，引诱赵军深入包围圈；第三，在长壁的两翼布置精兵22000人，准备出其不意地插入赵军的后方，断绝它的粮道，并协助长壁的部队，包围来进攻的赵军；第四，另外再派出骑兵5000人插入赵军营垒的中间，把赵军分割成为两部分，使赵军首尾不能相顾。
公元前260年8月，轻举妄动的赵括果然指挥赵军向秦军发动了大规模的进攻。秦军先头部队假装败退。赵括不察虚实，就命令赵军追击。赵军追到长壁，遭到了秦军的坚强抵抗。这时候，布置在两翼的22000名秦军立即出动，插到赵军的后方，抢占西壁垒(今山西省高平县北的韩王山高地)，构成了包围阵势。5000名骑兵也迅速插入，往来突袭赵军。赵军发动几次攻击，都没有成功，只好就地构筑营垒，由进攻改为防御，等待援军到来。
秦军包围赵军的捷报传到秦国都城咸阳(今陕西省咸阳市西北)，秦王就亲自来到河内(今河南省沁阳县一带)，把当地15岁以上的男丁全部组成军队，调到长平战场，占据长平东北面的高地，切断赵括的援兵和粮运。在秦军的四面合围下，赵军增援部队无法通过，军队的给养也断了来源。到了这年9月，赵军断粮已经46天，士兵们饿得没有办法，就暗自互相杀食，情况极为严重。赵括组织了四支突围部队，一齐鸣鼓冲突，企图打开一条出路，可是一连突围了四五次，都没有成功。他在绝望之下，决定挑选一支精锐部队，全部披上厚甲，骑上战马，由他亲自率领，强行突围。不料赵括刚出现在阵前，就被秦军乱箭射死。赵军失去了主将，没人指挥，立刻陷入混乱。秦军趁机发动猛烈进攻，把赵军杀得大败。长平之战，以秦军大胜，赵军惨败告终。对40万投降的赵军，白起竟把他们全部活埋了！这是历史上极端残暴地杀害战俘的典型事例。
长平之战，秦军前后共歼灭赵军45万人，取得了军事上的重大胜利。这一仗不但大大地削弱了赵国，而且也镇服了东方各国，为秦国后来完成统一大业创造了极为有利的条件。这次战争的结果是秦胜赵败，为什么呢？从秦国方面来说，实行“远交近攻”孤立了赵国，运用反间计使赵国更换了主将，又采用了后退诱敌、分割包围等正确的战略战术。这些固然对取得胜利起了很大作用；但是更重要的原因，是由于赵国君臣轻率任性，不自量力，在完全没有把握的情况下，贸然与强敌进行决战。赵括这个“纸上谈兵”的军事家惨遭失败，对一切只会说空洞的大道理而不注重实际的人，都是一个重要的历史教训。
赵括舍命强行突围，被秦军一阵乱箭射死。