为战役统帅率上地（即上党）之师越太行山下井陉（今河北井陉）塞攻赵国的中部；杨端和率河内之师北上临漳、邺由邺进围邯郸羌廆也进攻邯郸周围这是南路军；李信出云中、太原攻赵的代郡一带作为北路军。赵王迁任命李牧为大将军司马尚为副将倾全军抵抗入侵秦军。据《战国策》记载李牧数次击退秦军进攻还杀死了桓齮（有学者认为《战国策》所记“杀”应是“走”之误写）。
王翦知道李牧不除秦军在战场上不能速胜遂禀告秦王再行反间故计派奸细入赵国都城邯郸用重金收买了赵王迁的近臣郭开让郭开散布流言蜚语说李牧、司马尚勾结秦军准备背叛赵国。赵王迁一听到这些谣言不加调查证实立即委派宗室赵葱和齐人投奔过来的颜聚去取代李牧和司马尚。李牧拒不受命赵王迁暗中布置圈套捕获李牧并将他杀害（以上说法主要见载于《史记》《战国策·赵策四》。对于陷害李牧者为谁除郭开外还有不同说法。而关于他的死因也有赐死之说。）。司马尚则被废弃不用。
李牧死后第二年即在赵王迁八年（前228年）王翦乘势发起急攻大败赵军平定东阳（约今河北邢台地区）地区赵葱战死颜聚逃亡。秦军攻下邯郸后俘赵王迁及颜聚。赵公子嘉率其宗族几百人逃到赵的代郡自立为代王。至秦王政二十五年代王嘉六年（前222年）秦将王贲带兵灭燕后虏代王嘉赵国自此灭亡。
三、主要影响
1、边防思想的贡献
李牧主张建立边防地区的战备体制，根据边防形势的需要开设军市，以军市的收入补给军用。他重视采取严密的边防措施，建立边防预警报警体系，严令军民“谨烽火”，每当匈奴入侵时则必须躲入收保，减少了不必要的损失，为后来的反击积蓄了力量。这些做法对后世边防思想的发展产生了深远影响。
2、练兵之道的创新
李牧讲求练兵之道，重视厚待战士以鼓舞士气。他每天教练士卒骑射，每日宰牛数头犒赏军士，并常加赏赐，使将士用命，锻造出一支素质高而又士气振奋的边防军。这种练兵之道在当时是极具创新性的，对后世军队建设也产生了重要影响。
3、军事指挥自主权的坚持
李牧强调“将在外君命有所不受”的原则，坚持军事指挥的自主