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，亲自到河内郡督战，征调十五岁以上男子全部应战，加封应征者爵位一级，以倾全国之力与赵作战。
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，将赵降卒四十万全部坑杀，只留下二百四十名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四十五万人，创造了中国先秦战史上最大的一次歼灭战战例。战后，赵国上下为之震惊，从此元气大伤，一蹶不振。
长平之战胜利后，白起一面平定了上党全境，巩固秦军对上党的控制；一面请秦昭襄王增调军队和粮草，准备乘胜一举灭亡赵国。秦昭襄王四十八年（前259年）十月，白起分兵三路：一路由王龁率领，攻占赵都邯郸（今河北邯郸）以西的要地武安、皮牢（今河北武安）；一路由司马梗攻占赵太原郡（治今山西太原西南）；白起自统主力驻留上党，准备进攻邯郸。
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，即使周公、召公、吕望的功勋也不能超过他。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。秦昭襄王四十八年（前259年）正月，秦与赵、韩停战言和，各自撤兵。白起闻知此事，从此与范雎结下仇怨。
秦昭襄王四十八年（前259年）九月，秦又发兵，打算派五大夫王陵攻赵都邯郸。白起闻讯后，极力劝阻。
秦昭襄王说：“前年国库空虚百姓受饥，您不考虑百姓的负担能力，要求增调军粮消灭赵国。如今寡人休养百姓来供养士兵，蓄积粮食，三军将士的俸禄超过从前一倍，而您却说‘不可以攻赵’，这种说法有什么道理吗？”
白起解释道：“长平之战，秦军大胜，赵军大败。秦人欢喜，赵人害怕。秦国百姓战死的得到厚葬，伤者得到了特殊的照顾，劳苦者饮酒解乏，吃饱喝足并得到馈饷，消耗了国家的资财。赵国战死者得不到收殓，伤者得不到治疗，哭泣哀嚎，尽力共同分担忧患，加紧耕田劳作，多生资财。如今大王能够派出的军队虽然超过从前的一倍，臣料想赵国的守备也会达到原来的十倍。赵国自从长平之战以来，君臣忧虑恐惧，早晨很早上朝，晚上很晚退朝，用低下的言辞和丰厚的礼物，四面遣使向诸侯求和，同燕、魏结亲，同齐、楚交好，处心积虑，把防范秦国当作最要紧的事。赵国国内殷实，外交成功。正当此时，赵国是不可以攻打的。”
但此时秦昭襄王业已决定发兵，故白起之议不被采纳，他本人也因患病而无法统军出征。
秦昭襄王四十九年（前258年）正月，王陵攻邯郸进展不顺，昭襄王又增发重兵支援，结果王陵损失了五校（一校约为八千人）秦军。这时白起病愈，昭襄王欲以白起为将攻邯郸。
白起对昭襄王说：“邯郸实非易攻，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。”
昭襄王亲自请白起出山，他推辞不从；昭襄王于是派范雎前去探望，并指责道：“君尝以寡击众，取胜如神（指其破楚败韩魏），况以强击弱，以众击寡（指如今秦攻赵之势）乎？”
白起分析了攻楚及破韩魏联军时的形势，认为自己能够接连取胜“皆计利形势，自然之理”，并没有什么用兵如神之说。继而他指出长平之战后秦未一鼓作气趁势灭赵，反而使得赵国得到喘息的时间，增强了抗秦的力量，并且赵人将坚壁清野，不再出战，使秦难以在野战中消灭赵军。而秦如果“兵出无功”，那么将使诸侯来援。所以他认为“臣见其害，未睹其利”。
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