反间易将
秦国范雎同时使用反间计，在邯郸散布谣言：“秦之所恶，独畏马服子赵括将耳，廉颇易与，且降矣。”赵孝成王本自恼怒廉颇领军伤亡多，屡次战败却坚守营垒不敢出战，谣言四起，不啻于火上浇油。于是赵王力排众议，临阵换将，以年轻将领赵括（赵国名将马服君赵奢之子）代替廉颇为长平前线最高统帅。然而此一戏剧性反间计让秦军反败为胜之情节受到历史学界质疑，尚有争论，在《战国策·齐策之二》记载“秦攻赵长平，赵无以食，请粟于齐而齐不听”表示僵持战中其实赵国陷于后勤粮食短缺，可能是内部原因也可能是秦国在外交战场的孤立策略成功，总之赵国有可能是被迫打开僵局出战。
赵括
公元前年夏，赵括替代廉颇，再领二十万赵军接管长平前线大小军务。驻在长平的赵军，共有四十多万，声势非常浩大。赵括到达前线后，悉数改变军令约束和防守战略部署，并撤换大批中下级军官，收缩兵力准备主动出击，企图一战歼灭秦军，收复上党。
白起
秦国得知消息后秘密派遣武安君白起为上将军指挥秦军，王龁改任副将，命令“有敢泄武安君为将者斩！”白起针对赵军的动态，以丹河东岸的长平为依托，沿丹河东岸的天然髙岗构筑起长达十八公里的主阵地，右翼一直延伸到小东仓河北岸，以抵御赵军主力的进攻。另安排奇兵二万五千人在决战开始后切断从石长城出击的赵军退路；另五千骑兵遮绝留守石长城的赵军与出击的赵军主力之间的联系。
秦军佯败，赵军中伏
赵括在对秦军所知甚少的情况下，指挥主力出击屯扎在故关前的秦军部队。秦军按照白起的将令，接战不久后便诈败，沿直通长平的大道逃跑，把追击的赵军主力引诱到预设战场。
赵括不知中计，指挥全军猛攻秦军阵地，造成双方巨大伤亡，战事开始白热化，但秦军顽强抵抗，赵军无法攻破。此时赵军主力已经远离故关十二公里。预伏在小东仓河北岸的两万五千名秦军突然出击占领韩王山，切断了赵军的退路。五千骑兵也兵临故关前，使留守故关的赵军不敢支援。赵军被完全分为两段。赵军出击主力失去后勤保障，留守部队空守粮草辎重不敢增援。秦军抓住有利态势，派出不带甲之轻兵从两翼攻击赵军。赵军分兵作战，不能取胜，赵军主力被秦军压缩在了秦军防御壁垒所在的将军岭与韩王山所夹挟的一片低凹的山谷–泫氏谷。
被围投降
面对险恶战局，赵括命令部队原地筑壁坚守等待援兵。秦军乘势合围赵军于谷地。赵军被围的消息报到邯郸。赵孝成王意欲合纵抗秦，遣使求救于临近的楚、魏等国。但由于之前赵国使者入咸阳和谈得秦昭襄王厚遇，诸侯国不愿救赵。赵孝成王只得派出本国的部队赶往长平前线救援。
秦国得知赵军主力已被合围，粮道已绝，秦昭襄王亲自赶到河内郡（黄河以北，太行道以南，故魏韩地，时已属秦），赐所有郡民爵一级，命郡内十五岁以上男丁悉数出征支援长平前线，遮绝赵国救兵及粮食。所谓长平，即长平关，是通往北方晋阳的最主要关隘，当时已被秦军占领，被围的赵军在赵括率领下向晋阳方向突围而与秦军在长平关血战，故而后人称为长平之战。前年九月，在被困饿日后，赵军战马食尽已经演变到食人肉的状态，且箭矢兵械损坏无法补充，赵括分军四队强行突围四五次始终未能冲出重围。最后赵括率精锐亲自搏战突围，但结果被秦兵射杀，身上中数十箭。最终赵军阵亡余万人，赵军伤病饿殍无法再战，只得全体投降。秦军俘虏赵军余万人，但己方也“伤亡过半”。
坑杀赵卒
秦军对万降卒持警戒态度。白起计曰：“前秦已拔上党，上党民不乐为秦而归赵。赵卒反复。非尽杀之，恐为乱。”白起以酒肉安抚降卒，假意许诺将降兵中身体强健的带回秦国，而年老体弱伤残幼小的会发回赵国，赵人不疑。后白起密令秦兵以白布裹头，下令“凡首无白布者，即系赵人，当尽杀之。”赵国降卒不曾准备，又无器械，束手就戮，一夜俱尽。根据遗址尸骨坑考古，杀降多属先击杀致死而后乱葬掩埋。史载当时“流血成川，沸声若雷”；“血流淙淙有声，杨谷之水皆变为丹，至今号为丹水”；后世称血流成河。唯有名年少的赵兵被秦军放归赵国以散布恐慌，震慑山东六国。
秦军坑杀赵卒的消息传入赵国，整个国家“子哭其父，父哭其子，兄哭其弟，弟哭其兄，祖哭其孙，妻哭其夫，沿街满市，号痛之声不绝”。
乘胜追击
前年十月，白起攻下长平后兵分两路，以司马梗进攻太原，王龁率军进攻武安。韩割垣雍，赵割六城以和。前年正月，秦兵罢，复守上党。
战后
赵国经此一战元气大伤，再也无力单独和秦国全方位对抗，就此确立了秦对赵的战略优势，为秦王政日后攻灭赵国打下根基。秦国在此战以及隔年之邯郸之战中也损失了巨大的人力物力，“死者过半，国内空”，在秦王政继位以前也无法再发动大规模战争，国势亦严重削弱。