赵军战败向东退入故关，坚守百里石长城。石长城建筑在丹朱岭至马鞍壑一线的分水岭上，面向秦军的南坡山势陡峻。石长城底宽4米，隔段筑有堡垒，依山势绵延百里，中段有一名为故关的天然隘口，为南北交通的必经之路，筑有城门，与长城浑然一体。赵军于百里石长城全线布防，以重点防御故关、韩王山、大粮山，居高临下抵御秦军。秦军进攻受挫，挑衅赵军出长城决战，赵军拒不出战。廉颇统御的二十万赵军在失去重重天险后，终于以坚壁成功遏制了秦军攻势。
攻战无进展，消耗战僵持双方都陷入粮食短缺，粮刍辎重补给维艰。秦军远道而来，补给线漫长后勤压力大，赵国同样粮食短缺，请粟于齐，齐不听。
赵孝成王与楼昌、虞卿谋，楼昌请发重使至秦媾和。虞卿认为不媾则赵军必破，故战和决定权在于秦，要逼和秦国，正正不可与秦讲和：“今制媾者在秦；秦必欲破王之军矣，虽往请媾，秦将不听。不如发使以重宝附楚、魏，楚、魏受之，则秦疑天下之合从，媾乃可成也。”赵王不听，使郑朱媾于秦，秦受之。虞卿对赵王曰：“王必不得媾而军破矣。何则？天下之贺战胜者皆在秦矣。夫郑朱，贵人也，秦王、应侯必显重之以示天下。天下见王之媾于秦，必不救王；秦知天下之不救王，则媾不可得成矣。”既而，秦国果然利用赵国派使者入咸阳和谈之机，显重郑朱向赵示好，而不与赵媾。其他诸侯惧怕秦赵媾和连横于己不利，不敢支援赵国。
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，以年轻将领赵括代替廉颇为长平前线最高统帅。
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，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。秦军把握有利态势，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。原本赵军坚守的百里石长城被秦军攻克，反而成为了秦对赵包围圈的一部分。
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，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。
在被困饿46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20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20余万人。
对20万降卒持警戒态度。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。流血成川，沸声若雷”唯有240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。
