百里石长城所在的山脉突兀横亘于平原之上，一边通往长平前线，另一边通往赵国大后方。
赵军由于一味进攻，重兵集结前线，导致后方兵力空虚，秦军趁赵军没有防备，将其夺占，使得长平的赵军与后方断绝，这是赵军陷入危机的开端。
秦军出其不意的穿插到赵军背后，袭占百里石长城防线，反应出白起一贯的战术风格，深藏不露，避实击虚。
在秦军奇袭百里石长城的同时，长平的正面战场秦军却一副节节败退的样子。
八月，一心寻求决战的赵括在不明虚实的情况下，贸然采取进攻行动，秦军假意败走，暗中张开两翼设奇兵胁制赵军，楔入赵军先头部队与主力之间，伺机割裂。赵括完全没有意识到在他前面，有一个巨大的口袋型的秦军预设阵地，此时白起派出另一支奇兵，突然出现在赵军背后，利用地形将整个袋形埋伏圈堵住，整支赵军陷入包围。
赵括连杀八名都尉以稳定军心，命令数十万赵军从各个方向冲击秦军壁垒，却始终不得突围。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，下达全国动员令，征调秦国十五岁以上男子全部应战，加封应征者爵位一级，他亲赴河内督战，以阻绝赵国的援军和粮草，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，把赵降卒40万全部坑杀，只留下240个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45万人，赵国上下为之震惊，从此元气大伤，一蹶不振。
一举坑杀四十万赵军，白起名声大噪，被后世尊为“千古第一杀神”。
可能正是因为白起造成的杀孽太多，是以最后结局凄凉。
当年九月，秦又发兵，使五大夫王陵攻赵邯郸。
正赶上白起有病，不能走动。二年正月，王陵攻邯郸不大顺利，秦王又增发重兵支援，结果王陵损失五校一校约为8000人秦军。
白起病愈，秦王欲以白起为将攻邯郸，白起对秦昭襄王说：“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。”
秦昭襄王改派王龁替王陵为大将，八、九月围攻邯郸，久攻不下。
楚国派春申君同魏公子信陵君率兵数十万攻秦军，秦军伤亡惨重。白起听到后说：“当初秦王不听我的计谋，结果如何？”
秦昭襄王听后大怒，强令白起出兵，白起自称病重，经范雎请求，仍称病不起。
由于病体不便，白起并未立即启程。三月后，秦军战败消息不断从邯郸传来，昭王更迁怒于白起，命他即刻动身不得逗留。白起只得带病上路，行至杜邮，秦昭襄王与范雎商议，以为白起迟迟不肯奉命，“其意怏怏不服，有余言”，派使者赐剑命其自刎。
白起拿起剑自刎时，仰天长叹：“我对上天有什么罪过，竟落得如此下场？”过了好一会儿，他又说：“我本来就该死。长平之战，赵军降卒几十万人，我用欺骗的手段把他们全部活埋了，这就足够死罪了！”说完自杀。
时为秦昭襄王五十年十一月。
另有一说白起抗命不遵原因是：白起深知自己如果再次引兵攻赵，换来的将是赵国全国的抵抗。因为长平之后赵国深恨白起，所以昭王再次攻赵时，白起应该是最不适合当统帅的人选。
他为秦国横扫**立下赫赫战功，可惜最后却仍死于秦君之手，实在令人觉得讽刺。