然而，時間一長，匈奴兵將總以為李牧膽小怯戰，根本不把他放在心上；就是趙國邊兵們亦在下麵竊竊私議，以為李牧膽小怯戰，有的憤憤不平。李牧一意堅守不主動出擊的消息傳到趙孝成王那裏，趙王派使者責備李牧，要李牧出擊。李牧老謀深算，意欲放長線釣大魚，也不作解釋，我行我素，依然如故。匈奴一來，即深溝高壘，堅守不出。匈奴往往滿懷企望而來，卻一無所獲而歸。
趙王聽說李牧仍然一味防守，認為他膽怯無能，滅了自已威風，很生氣，立即將李牧召回，派另外一員將領來替代。新將領一到任，每逢匈奴入侵，即下令軍隊出戰，幾次都失利，人員傷亡很大，而且邊境不安，百姓沒有辦法耕種和放牧。
趙王隻得又派使臣去請李牧複職，李牧閉門不出，堅稱有病，不肯就任。趙王不得已，隻得下令強令李牧出山。李牧對趙王說：“王必用臣，臣如前，乃敢奉令。”趙王隻好答應了。
李牧又來到雁門，堅持按既定方針辦，下令堅守。幾年內匈奴多次入侵，都一無所獲，但總以為李牧膽小避戰。其實李牧早已經定下誘敵深入，設伏包殲的計謀，對種種屈辱罵名置之不理，而邊庭將士因為天天得到犒賞，卻沒有出力的機會，都希望能在戰場上效力。李牧看條件成熟了，於是經過嚴格挑選戰車1300輛，又挑選出精壯的戰馬13000匹，勇敢善戰的士兵5萬人，優秀射手10萬人，然後把挑選出來的車、馬、戰士統統嚴格編隊，進行多兵種聯合作戰演習訓練。公元前244年的春天，一切準備就緒之後，李牧讓百姓滿山遍野去放牧牲畜，引誘匈奴入侵。
不久，情報員來報告，有小股匈奴到了離邊境不遠的地方。李牧派了一支小部隊出戰，佯敗於匈奴兵，丟棄下幾千名百姓和牛羊作誘餌讓匈奴俘虜去。
匈奴單於王聽到前方戰報，十分高興，因久無繳獲，於是率領大軍侵入趙境，準備大肆擄掠。
李牧從烽火台報警和情報員報告中熟悉了敵情，早在匈奴來路埋伏下奇兵，待匈奴大部隊一到，李牧為消耗敵軍，先采取守勢的協同作戰，戰車陣從正麵迎戰，限製、阻礙和遲滯敵騎行動，步兵集團居中阻擊，弓弩兵輪番遠程射殺，而將騎兵及精銳步兵控製於軍陣側後。當匈奴軍衝擊受挫時，李牧乘勢將控製的機動精銳部隊由兩翼加入戰鬥，發動鉗形攻勢，包圍匈奴軍於戰場，經過幾年養精蓄銳訓練有素的趙軍將士們，早已摩拳擦掌，個個象生龍活虎，向敵人撲了過去。仿佛是一架運轉嚴整的機器，兩翼包抄的一萬三千名趙軍騎兵仿佛兩把鋒利砍刀，輕鬆的撕開匈奴人看似不可一世的軍陣，在轉瞬間扼住10萬匈奴騎兵命運的咽喉。一整天的會戰很快演變成一場對匈奴的追殲屠殺。十萬匈奴騎兵全軍覆沒，匈奴單於僅帶了少量親隨倉皇逃竄。
農耕民族在與遊牧民族的爭鬥中，過去由於機動力劣勢，一直處於被動地位，李牧指揮的此次會戰使機動性較差的趙軍在圍殲戰中得以發揮自身車戰、步戰的優勢，是先秦戰爭史中以步兵為主的聯合大兵團全殲騎兵大兵團的典型戰例，對後世以步製騎的戰術有著啟發作用。
李牧大敗匈奴之後，又趁勝利之勢收拾了在趙北部的匈奴屬國，滅襜襤、破東胡，收降林胡，迫使單於向遙遠的北方逃去，完全清除了北方的憂患。在這次取得輝煌勝利的戰役以後，懾於趙軍之威，過了十幾年，匈奴兵還不敢來入侵趙的邊境。李牧也因此成為繼廉頗、趙奢之後趙國的最重要的將領。
由於李牧確保了趙國邊境的安全，使趙國君臣能無後顧之憂地對付強秦的兼並戰爭，實際上，藺相如、廉頗、趙奢等人在政治軍事鬥爭上的每一個勝利，都有李牧的協作支持在內。李牧到朝中任職，約在前246年以後。他曾因國事需要調回朝中，以相國身份出使秦國，定立盟約，使秦國歸還了趙國之質子。公元前245年，趙孝成王逝世，悼襄王繼位。悼襄王元年（前244），讓樂乘代替廉頗大將軍之職位，廉頗一怒之下，領軍攻擊樂乘，樂乘逃走，廉頗也就帶領自己部下，投奔魏國去了。當時，趙奢、藺相如已死，李牧成為朝中重臣。