赵军对潜伏的汉军毫无觉察，望见汉军背水列阵，无路可以退兵，都禁不住窃窃哂笑，认为韩信置兵于“死地”，根本不懂得用兵的常识，因而对汉军更加轻视。因为兵法上明确规定，布阵要“右倍山陵，前左水泽”，韩信反其道而用之，岂不是可笑之至？
天亮之后，韩信亲自率领汉军，打着大将的旗帜，携带仪仗鼓号，向井陉口东边的赵军进逼过去。赵军见状，果然踌躇满志，离营迎战。两军戈矛相交，厮杀了一阵子后，韩信就佯装战败，让部下胡乱扔掉旗鼓仪仗，向绵蔓水方向后撤，与事先在那里背水列阵的部队迅速会合。赵王歇和陈余误以为汉军真的打了败仗，岂肯轻易放过机会，于是就挥军追击，倾全力猛攻背水阵，企图一举全歼汉军。
汉军士兵看到前有强敌，后有水阻，无路可退，所以人人死战，个个拚命，赵军的凶猛攻势就这样被抑制住了。这时，埋伏在赵军营垒翼侧的汉军二千轻骑则乘着赵军大营空虚无备，突然出击，袭占赵营。他们迅速拔下赵军旗帜，插上汉军战旗，一时间红旗林立，迎风招展，好不威风。
赵军久攻背水阵不下，陈馀不得已只好下令收兵。这时赵军才猛然发现自己大营上插满了汉军红色战旗，老巢已经易手。这样一来，赵军上下顿时惊恐大乱，纷纷逃散。占据赵军大营的汉军轻骑见赵军溃乱，当即乘机出击，从侧后切断了赵军的归路；而韩信则指挥汉军主力全线发起反击。赵军仓皇向泜水方向败退，被汉军追上，结果全部就歼，陈馀被杀，赵王歇和李左车束手就擒。井陉之战，韩信大获全胜。
井陉之战的结局，对楚汉战争的整个进程具有重大的意义。汉军的胜利，使得其在战略全局上渐获优势，即消灭了北方战场上最强劲的敌手，为下一步“不战而屈人之兵”、兵不血刃平定燕地创造了声势和前提，并为东进击齐铺平了道路，从而造就了孤立项羽的有利态势。这虽然是一次战役规模的战争，但却有着战略性质的地位。
井陉之战，韩信取得作战胜利，关键在于他能够充分发挥主观能动性，有计划地制造和利用赵军的错误，巧妙地掌握士卒“兵士甚陷则不惧，无所往则固，深入则拘，不得已则斗”这一心理状态，“陷之死地而后生，置之亡地而后存”，奇正并用，背水列阵，灵活用兵，出奇制胜，速战速决，从而一举全歼赵军，谱写了中国古代战争史上精彩篇章。
灭赵后，韩信准备继续进攻燕国。他召集将领们讨论战法。采纳原赵国谋臣李左车建议，休整兵马，安抚民众，摆出欲强攻燕国之势，再派使臣向燕王陈述利害，遂不战而降燕。齐王田广为阻止韩信军东进，屯兵历下。刘邦遣郦食其游说田广。田广欲降汉，撤去历下守军。
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