汉军按照韩信的计划布置完毕，已经天色微明了。韩信亲自率领汉军，打着大将的旗号和仪仗，敲起战鼓，呐喊着向井陉口杀来。陈余看到汉军发起了进攻，认为消灭汉军的机会到了，立刻传令赵军出击。赵军漫山遍野，向汉军冲来，双方大战了很长时间。韩信、张耳假装战败，把旗鼓仪仗都扔掉，向绵蔓水方向后退。赵王歇和陈余看到韩信、张耳后退，误认为汉军真的打了败仗，就命令全体赵军空营而出。十几万赵军一面争着抢夺战利品，一面追赶韩信、张耳。
韩信、张耳带着汉军主力部队退到绵蔓水边，和原来背水列阵的一万汉军会合起来，重新同赵军展开激战。前面是倾巢追赶过来的敌兵，背后是水深流急的绵蔓水，在这紧要关头，汉军要么是向前拼死杀敌，要么是后退淹死水中。只见汉军将士们人人奋勇，个个争先，无不以一当十，拼死战斗。赵军依仗人多势众，往来冲杀了很多次，仍然攻不破汉军阵地。韩信、张耳指挥的汉军，就这样把十几万赵军牢牢地拖住在绵蔓水边。
再说埋伏在赵营背后的汉军2000名轻骑兵，一看到赵军倾巢出动，就立刻乘虚攻入赵营，把赵军的旗帜全部拔掉，换上了汉军的红旗。霎时间，赵军的大本营竟变成了汉军的大本营。
赵军在绵蔓水边和汉军苦战了大半天，没有取得胜利。陈余看到士兵们往返冲杀，已经疲劳不堪，活捉韩信、张耳的美梦渐成泡影，便下令鸣金收兵。筋疲力尽的赵军乱哄哄地往回撤退，走到半路，就远远地望见大营的四周已经插满了汉军的红旗，不禁大惊失色，以为赵王已被汉军俘虏，于是抛戈弃甲，纷纷溃逃。赵将虽然杀了不少溃逃的士兵，依然不能制止赵军的溃散。占据赵营的汉军乘势杀出，韩信指挥的汉军主力部队同时反攻过来，把赵军全部彻底打垮，斩了赵军主帅陈余，俘虏了赵王歇。韩信统率的汉军获得了井陉战役的完全胜利。
战争结束，汉军将领一一呈献斩杀的敌军首级和上报俘虏敌军的数字，庆祝这次战争的胜利。将领们十分佩服韩信的指挥艺术，但是依然不明白其中的道理，纷纷问道：“按照兵法，行军布阵应该是右面和背后靠山，前面和左面临水，现在将军却违反兵法规定，背水列阵，并且充满信心地告诉将士们说，等天明打败赵军再一同会餐。我们当时并不相信您的话，可是您竟取得了胜利，这是什么原因呢？”韩信回答说：“背水为阵在兵法上也是有的，只是诸位没有考察罢了。兵书上不是说过，‘陷之死地而后生，置之亡地而后存’吗？我之所以要背水列阵，就是按照这个道理。我知道，我在军中时间不太长，还没有真正建立起威望来。况且汉军大多数是刚刚招募来的新兵，缺乏训练，战斗意志不够坚定，指挥新军作战，就好比赶着市上的人群去作战一样。因此，必须把他们安置在后退无路的‘死地’，才能使他们人自为战，拼死冲杀；如果把这些士兵配置在安全地带，有路可逃，一到战斗激烈，他们就会争着逃走，哪里还会听从指挥呢！”将领们听了韩信的解说，都异口同声地说：“您的计策太妙了，我们哪能赶得上啊！”
韩信破赵之战，在楚、汉战争中是一个重要战役。由于这次战争，使韩信的“背水阵”名传后世，韩信也从此成为一个灵活运用兵法的著名军事家。像“背水阵”这样的战法，我们今天进行正义战争一般不会采用。不过在当时当地，韩信能够根据敌我双方的实际情况和赵军统帅的轻敌思想，灵活运用兵法上的原则，将计就计，进行背水列阵，故意向敌人露出破绽，引诱赵军脱离有利地形空营来战，然后用奇兵袭击赵军大本营，再两面夹击，一战而胜，全歼赵军。这些都显示了韩信卓越的军事才能。