與此同時，秦軍的兵力也增加到了50萬人，秦國還任用與廉頗齊名的白起將軍作為長平前線的最高指揮官。白起針對趙括既沒有作戰經驗又魯莽輕狂的特點，決定將計就計，誘敵深入。白起先故意讓趙括贏得幾次小規模的勝利，嚐點兒甜頭。這一招非常有效，趙括很快就被眼前的勝利衝昏了頭腦，他甚至沒有製定具體的作戰計劃，就盲目出動主力軍隊向秦軍進攻。秦軍稍做抵抗就立刻撤退，趙軍乘勝對秦軍營壘展開攻擊。但是一連幾天，趙軍都沒能突破秦軍的防線。然而，就在這幾天時間裏，白起派出一部分秦軍迂回繞到趙軍的後方，切斷了趙軍的退路，而趙軍主力兩側則遭到了秦軍強大的騎兵部隊的襲擊。趙括這才發現陷入了秦軍的包圍圈，但是為時已晚。無奈之下，趙括隻好下令趙軍先就地紮營，構築一個臨時的防禦陣地。但是，現在防禦戰已經救不了趙軍了。趙軍的補給線路已經被秦軍切斷，軍中的糧食在一天天減少。趙軍全軍上下都很清楚，如果不能突圍出去，隻能是死路—條。
在隨後的46天中，40萬趙軍官兵與秦軍連續惡戰，尋求生路。麵對趙軍的拚死衝鋒，50萬秦軍也死傷過半。眼看包圍圈就要支撐不住了，秦王緊急命令秦國所有年滿15歲的男子全部加入軍隊，趕往長平參戰，補充前線巨大的人員傷亡，最後總算穩定了戰局，沒讓趙軍突圍成功。隨著時間的推移，在包圍圈中得不到任何補給的趙軍處境越來越困難，糧食越來越少，士兵們越來越餓，一些受傷的趙軍士兵甚至被饑餓的同伴殺死吃掉。形勢變得令人絕望，趙括意識到糧食即將耗盡，援軍卻還沒有影子，除了率領部隊拚死突圍以外，別無出路。他親自挑選了一批精銳士兵，給他們配備了最好的兵器，開始最後的突圍嚐試。這一次，趙括親自衝到了第一線鼓舞士氣，督促部下拚死作戰。眼看趙軍就要衝出秦軍的包圍圈了，在這關鍵時刻，趙括本人被秦軍的弓弩手射殺。主帥陣亡，趙軍大亂，徹底喪失了繼續作戰的勇氣，士兵們放下武器，向秦軍投降。
趙軍投降以後，白起命令秦軍乘夜色出其不意地殺入已經投降的趙軍營地，把趙軍士兵將帥全部殺死。長平之戰中，被殺死的趙國戰俘和戰死者人數達到了45萬餘人。在秦軍屠殺趙國降兵的地方，河流流出的水都變成了紅色，這條河從此被人們稱為丹水。
長平之戰至此宣告結束。這是戰國時期規模最大、最血腥的一次戰役。秦趙兩國總共在長平投入了將近100萬軍隊進行廝殺，戰場上屍積成山，血流成河。白起殺害幾十萬趙軍俘虜的行徑，已經不再是軍人在戰場上殺死對手的戰鬥行為，而是赤裸裸的屠殺，這引起了人們極大的恐懼和憤怒。至今，長平的當地百姓仍然把白色的豆腐稱為白起豆腐，每年都要在特定的時候大吃白起豆腐，表達他們對白起的仇恨。
長平之戰以後，趙國一蹶不振，再也沒有實力與秦國爭雄天下，秦國成為戰國七雄中實力最強的諸侯國。公元前259年，有一個嬰兒降生了，他的名字叫嬴政。在他的統治時代，六國滅亡，天下統一，開始了中國曆史上的封建時代，他也成為中國曆史上第一個皇帝——秦始皇。