赵军于空仓岭陷落后，似乎曾作过加固南北两翼以钳制深入之敌的努力，所谓“赵军筑垒壁而守之”，结果没有成功，“秦又攻其垒，……夺西垒壁”，终于空仓岭南北几十里防线西垒壁（一作西长垒）完全陷落。
秦军攻势锐不可当，赵军连战不利，损失很大。廉颇重新分析敌我态势，在看到地形因素不利于赵军，而秦国补给线远比赵军漫长，后勤保障比赵国困难，决心放弃不易防守的丹河西岸阵地，全军收缩至丹河以东第二道防线，构筑壁垒，决心以逸待劳，以图挫动秦军锐气，坚守待变。
从坚守的战术目的来看，廉颇是成功的，秦军无论怎么攻打都突破不了丹河防线，秦赵两军形成对峙局面，战争持续了三年，秦军损兵折将。
长平之战的第一个阶段，是相持三年的消耗战。《战国策·齐策二》载：“秦攻赵长平，赵无以食，请粟于齐而齐不听。”战略相持赵国无法继续支撑下去，赵国的粮食产量只有秦国的三分之一，战争相持三年，二十万大军的巨额消耗使得赵国经济实力不济的弱点完全暴露，更急于结束战争。加之阏与之战，赵奢大败秦军，使得赵国心存侥幸心理，如果集中兵力决一死战，或许秦国并不是不能战胜，所以改变了坚守的策略，用赵括替换了廉颇。其实“纸上谈兵”的赵括只是执行了赵王的旨意，换将是赵王主动和无奈的选择，是赵王冒险寻求战略大决战的想法的体现。
白起面对鲁莽轻敌、高傲自恃的对手，决定采取后退诱敌，分割围歼的战法。他命前沿部队担任诱敌任务，在赵军进攻时，佯败后撤，将赵军吸引进秦军主力构筑的袋形埋伏圈；然后从侧翼派出两支奇兵，一支为轻兵两万五千人，长途跋涉，绕到赵军背后，奇袭了赵军的最后一道防线百里石长城。
百里石长城所在的山脉突兀横亘于平原之上，一边通往长平前线，另一边通往赵国大后方。赵军由于一味进攻，重兵集结前线，导致后方兵力空虚，秦军趁赵军没有防备，将其夺占，使得长平的赵军与后方断绝，这是赵军陷入危机的开端。秦军出其不意的穿插到赵军背后，袭占百里石长城防线，反应出白起一贯的战术风格，深藏不露，避实击虚。
在秦军奇袭百里石长城的同时，长平的正面战场秦军却一副节节败退的样子。八月，一心寻求决战的赵括在不明虚实的情况下，贸然采取进攻行动，秦军假意败走，暗中张开两翼设奇兵胁制赵军，楔入赵军先头部队与主力之间，伺机割裂。赵括完全没有意识到在他前面，有一个巨大的口袋型的秦军预设阵地，此时白起派出另一支奇兵，突然出现在赵军背后，利用地形将整个袋形埋伏圈堵住，整支赵军陷入包围。
赵括连杀八名都尉以稳定军心，命令数十万赵军从各个方向冲击秦军壁垒，却始终不得突围。白起令两翼奇兵迅速出击，将赵军截为三段。赵军首尾分离，粮道被断。秦军又派轻骑兵不断骚扰赵军。赵军的战势危急，只得构筑垒壁坚守，以待救兵。
秦昭襄王听说赵国的粮道被切断，下达全国动员令，征调秦国河内郡十五岁以上男子全部应战，加封应征者爵位一级，他亲赴河内督战，以阻绝赵国的援军和粮草，倾全国之力与赵作战。[5][6]
九月，赵兵已断粮四十六天，饥饿不堪，军心动摇，甚至自相杀食。赵括走投无路，重新集结部队，分兵四队轮番突围，终不能出，赵括亲率精兵出战，被秦军射杀。赵军大败，四十万赵兵投降。
白起与部下计议说：“先前秦已攻陷上党，上党的百姓不愿归附秦却归顺了赵国。赵国士兵反复无常，不全部杀掉，恐怕日后会成为灾乱。”于是使诈，把赵降卒40万全部坑杀，只留下240个年纪小的士兵回赵国报信。长平之战，秦军先后斩杀和俘获赵军共45万人，赵国上下为之震惊，从此元气大伤，一蹶不振。后因赵国的平原君写信给其妻子的弟弟魏国的信陵君，委托他向魏王发兵救赵，于是信陵君就去求魏王发兵救赵，魏王派晋鄙率十万大军救赵。但由于秦昭襄王的威胁，魏王只好让军队在邺城待命。信陵君为了救赵，只好用侯嬴计，窃得虎符，杀晋鄙，率兵救赵，在HD大败秦军，才避免赵国过早灭亡（窃符救赵）。
将相失和
长平之战后，白起本拟乘胜灭赵。秦昭襄王四十八年十月，秦再次平定了上党，后军分二路：一路由王龁率领，进攻皮牢（今河北武安）；一路由司马梗攻占太原。而白起自将围攻HD。韩国和赵国惊恐万分，派苏代用重金贿赂秦相应侯范雎说：“白起擒杀赵括，围攻HD，赵国一亡，秦就可以称帝，白起也将封为三公，他为秦攻拔七十多城，南定鄢、郢、汉中，北擒赵括之军，虽周公、召公、吕望之功也不能超过他。如果赵国灭亡，秦王称王，那白起必为三公，您能在白起之下吗？即使您不愿处在他的下位，那也办不到。秦曾经攻韩、围邢丘，困上党，上党百姓皆奔赵国，天下人不乐为秦民已很久。今灭掉赵国，秦的疆土北到燕国，东到齐国，南到韩魏，但秦所得的百姓，却没多少。还不如让韩、赵割地求和，不让白起再得灭赵之功。”于是范雎以秦兵疲惫，急待休养为由，请求允许韩、赵割地求和。秦昭襄王应允。韩割垣雍，赵割六城以求和，正月皆休兵。白起闻知此事，从此与范雎结下仇怨。
赐死杜邮
当年九月，秦又发兵，使五大夫王陵攻赵HD。正赶上白起有病，不能走动。二年正月，王陵攻HD不大顺利，秦王又增发重兵支援，结果王陵损失五校（一校约为8000人）秦军。白起病愈，秦王欲以白起为将攻HD，白起对秦昭襄王说：“HD实非易攻，且诸侯若援救，发兵一日即到。诸侯怨秦已久，今秦虽破赵军于长平，但伤亡者过半，国内空虚。我军远隔河山争别人的国都，若赵国从内应战，诸侯在外策应，必定能破秦军。因此不可发兵攻赵。”