当赵军初战失利时，赵孝成王与楼昌、虞卿等商议，想亲自率领部队与秦军决战。楼昌认为这样做，无济于事，不如派地位高的使臣去秦国议和。而虞卿则认为如果秦国决心攻打赵国，和议难成，不如派遣使者携带珍宝去楚国、魏国活动，使秦国畏惧各国的合纵抗秦，这样和议才有成功的可能。但是赵孝成王采纳了楼昌的建议，派郑朱前去秦国议和。虞卿一再劝谏，说“郑朱入秦，秦王与范睢必定隆重接待，以示天下。楚国、魏国以为赵国已经议和，必定不出兵救赵。秦国知道天下之不救赵国，则议和不能成功，议和不成，赵军必败。”
赵孝成王最终没有采纳虞卿的谏议，郑朱到了秦国求和。秦国为了麻痹赵国，防止各国合纵，并争取时间，加强军事准备，以便给赵军以严重的打击，果然利用赵国求和的机会，对赵国使者郑朱殷勤接待，有意向各国宣传秦、赵已经和解，借以防止各国出兵救赵。于是赵国的处境更加孤立。
赵孝成王早已恼怒廉颇的军队数次战败，又反感廉颇坚壁不敢战，秦国丞相范雎又派人携带千金到赵国施行反间计，并散布流言说：“廉颇很容易对付，秦国最害怕的是马服君赵奢的儿子赵括。”赵王决定换将，当时名将李牧长期驻守代地雁门郡，远离朝中。名将乐毅弃燕投奔赵国不久，被封于观津，其心未附。赵王则将秦国的反间计信以为真，立刻把赵括找来，问他能不能打退秦军。赵括说：“要是秦国派白起来，我还得考虑对付一下。如今来的是王龁，他不过是廉颇的对手。要是换上我，打败他不在话下。”于是不顾蔺相如和赵括母亲的谏阻，派赵括去接替廉颇为主将。
周赧王五十五年（前260年）农历七月，赵括统率一部援军来到长平，接替廉颇为主将。赵括到任后根据实际情况更换部队将领，改变军中制度，又一改廉颇的作战方针，主动出兵进攻秦军。
秦昭王得知赵括代替廉颇担任主将后，为能彻底击败赵国、能一战定乾坤，暗地里调武安君白起为上将军，改命王龁担任尉官副将，并令军中严守秘密，有走漏消息的格杀勿论。
在赵括出兵进攻秦国军队的时候，白起命令秦军佯装战败溃退，赵括不知道秦国已经暗地里用名将白起换下了王龁，就命令赵国的军队乘胜追击，一直追到秦军的营垒，但是赵国的军队无法攻破秦军用两年时间加固的营垒。
白起命令一支2万5千人的部队突袭到赵军出击部队的后方，截断赵军的后路，又命一支5千人的骑兵部队插入赵军与营垒之间，将赵军主力分割成两只孤立的部队，同时切断赵军的粮道。
白起又派出轻装精兵向赵军发动多次攻击，赵军数战不利，被迫就地建造壁垒，转为防御，以待救援。
秦昭王得知赵军主力的粮道被截断，就亲自到河内郡（今河南沁阳及附近地区），加封当地百姓爵位一级，并征调全国十五岁以上的青壮年集中到长平战场，拦截赵国的援军和粮运。周赧王五十五年（前260年）农历九月，赵军主力已经断粮四十六天，士兵们相互残杀为食。赵括将剩余的赵军组织成四支突围部队，轮番冲击了四、五次后仍不能突围。于是，赵括亲帅精锐部队强行突围，结果被秦军乱箭射死。
赵国军队因无主将指挥，剩下的士兵向秦将白起投降。白起说：“赵国士兵反复无常，如果不全部杀掉他们，恐怕再生事端。”于是白起用欺骗的手段，命令秦国军队将赵国降兵全部活埋，只留下年纪尚小的240名士兵放回赵国。
也有记载这里白起坑杀赵兵指的并非活埋，而是斩杀后把其挖坑埋葬的意思。战国策记载：白起把赵国降兵分化成很多部分.一天只给一顿饭，然后在一天夜里令秦兵脸带黑巾（这并非是隐藏身份，而是隐藏屠杀者的表情）对手无寸铁的赵兵展开屠杀。最后挖坑将其埋葬。据说花了十天才埋葬完毕。长平之战，秦国军队前后斩杀赵国士兵45万人，赵国上下一片震惊。
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。而白起自将围攻邯郸。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，围攻邯郸，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。
秦军取得了巨大胜利，大大地削弱了赵国，为秦完成统一创造了有利的条件。在长平之战胜利后，白起又分秦军为三路，扩张战果：命王龁率一军攻占赵国的皮牢（地名）；命司马梗率一军北上，夺取太原（今山西中部地区）；白起亲帅大军准备攻打赵国首都邯郸，想一举灭亡赵国。
秦军东取武安、西取皮牢、北占太原的时候，韩国、赵国都异常恐惧。赵国与韩国合谋，派使者携带重金赴秦，游说范雎。范雎被赵国使者说服，便向秦王建议接受议和，秦王采纳了范雎的意见，允许韩国割垣雍，赵国割六城，达成和议，于周赧王五十六年（前259年）一月下令罢兵。白起得知此事后与范雎产生矛盾。秦昭襄王没听白起的建议，在失去时机的情况下攻打邯郸，结果在后来的邯郸之战中，秦国战败。
长平之战结果，赵军固全军覆没，秦亦死伤过半，即双方伤亡百万左右。此役成为春秋战国时代一次持续最久、规模最大、最惨烈的战争，诚如古人论及东周500年的战争时，唯推晋阳、长平两役，所谓“晋阳之围，悬釜而炊；长平之战，血流漂卤”。
长平之战中，秦军前后共歼灭赵军45万人，从根本上削弱了当时关东六国中最为强劲的对手赵国，也给其他关东诸侯国以极大的震慑。这场战争由于秦取得全胜，由其统一的形势已成不可逆转，从此急转直下。长平之役，标志着以列国林立、兼并战争频仍为时代特征的战国一代行将终结，一个史无前例的中央集权大帝国即将临降。