从七月开始，他命令赵军凭借山险，筑起森严壁垒。但是仍被王龁击败，被秦军斩杀两尉，西壁垒被秦军夺取。于是，廉颇改变策略，决定不与秦军交战，秦军夺取赵军阵地后数次挑战，廉颇总是避战不出。
秦国在战场上数战告捷，但由于廉颇兵败后避战不出，便使反间计，让孝成王相信秦国最担心、最害怕的是用赵括（赵奢之子）替代廉颇。孝成王求胜心切，终于中了反间计，认为廉颇怯战，强行罢廉颇职，用赵括为将。赵括代替了廉颇的职务后，完全改变了廉颇制定的战略部署，撤换了许多军官。秦昭襄王见赵国用赵括为将，便暗中派武安君白起率兵奔赴前线，统兵攻赵。
九月，白起大败赵括军于长平，射杀赵括，坑杀赵军四十余万。长平之战赵军共阵亡士兵四十五万。第二年，秦军趁势包围了邯郸，达一年多时间，赵国几近灭亡，全靠楚、魏两国军队来救助，才得以解除邯郸的包围。
赵孝成王十五年（前251年），燕王喜派丞相栗腹同赵国交好，栗腹回国后向燕王提议：“赵国的壮丁都死在了长平，遗孤还没长大，可以乘机进攻。”燕王喜不听昌国君乐间、大夫将渠的劝阻，出动了两支军队，共两千辆战车，命栗腹率军进攻鄗城，卿秦等率军进攻代地。
燕军行进至宋子（今河北晋县南）时，孝成王决定派廉颇领兵反击。廉颇在鄗城大败燕军，杀死（一说俘获）栗腹；又在代地大破卿秦等，将其俘获。他乘胜逐北五百余里，包围了燕都蓟城（今北京市西南），迫使燕国启用将渠为相，并割让五座城，这才解围停战。
此战赵军在廉颇的指挥下，利用燕军轻敌、疲劳，赵军则同仇敌忾，对来犯之敌予以痛击，是中国历史上以少胜多的着名战例。鄗代之战后，孝成王把尉文一地封给廉颇，赐号“信平君”，并授官假相国。
赵孝成王二十一年（前245年），廉颇带兵攻取魏国的繁阳（今河南内黄西北）。然而就在同一年，孝成王去世，其子赵悼襄王继位。悼襄王一继位就解除了廉颇的军职，派乐乘代替在外领兵的廉颇。廉颇因受排挤而发怒，攻打乐乘，乐乘逃走。廉颇也离开赵国，投奔魏国，居于大梁（今河南开封）。
廉颇去大梁住了很久，魏王虽然收留了他，却并不信任和重用他。赵国因为多次被秦军围困，悼襄王想再任用廉颇，廉颇也想再被赵国任用。于是，悼襄王派遣使者去带着一副名贵的盔甲和四匹快马到大梁去慰问廉颇，看廉颇还是否可用。廉颇的仇人郭开却唯恐廉颇再得势，暗中贿赂使者，让他说廉颇的坏话。赵国使者见到廉颇以后，廉颇在他面前一顿饭吃了一斗米，十斤肉，还披甲上马，表示自己还可有用。但使者回来向悼襄王报告说：“廉将军虽然老了，但饭量还很好，可是和我坐在一起，不多时就上了三次茅厕。”悼襄王认为廉颇老了，就没再任用他，廉颇也就没再得到为国报效的机会。
楚国听说廉颇在魏国，就暗中派人迎接他入楚。廉颇担任楚将后，没有建立什么功劳。他说：“我思用赵人。”但赵国终究未能重新起用他，致使廉颇抑郁不乐，最终在楚都寿春（今安徽寿县）逝世。
廉颇作为赵国末期的主要军事将领，征战数十年。后世有说法将廉颇与白起、王翦、李牧并称为“战国四大名将”。其主要军事活动如下：
赵国赵惠文王十六年（前283年），率师伐齐，大破齐军，取阳晋（今河北晋州西北）。
赵惠文王二十三年（前276年），攻取魏之几（今河北大名东南），次年（前275年），又攻魏之枋陵（今河南安阳西南）、安阳（今河南安阳西南）。
赵孝成王六年（前260年），率军驻长平（今山西高平西北）抗秦，虽初战失利，但很快摸清秦军弱点，转而采取坚壁避战的方针，欲拖垮远道而来的秦军。后来，赵孝成王中秦离间计而以赵括取代为将，赵军随即因错误的作战指导而惨败。
赵孝成王十五年（前251年），率军大败燕军于鄗（今河北高邑东南），杀（一说俘）其将栗腹，进围燕都，逼其割五城求和。
赵孝成王二十一年（前245年），攻取魏繁阳（今河南内黄西北）。
历史评价
赵胜：“廉颇为人勇騺而爱士；知难而忍耻，与之野战则不如，持守足以当之。”
刘恒：“嗟乎！吾独不得廉颇、李牧，时为吾将，吾岂忧匈奴哉！”
冯唐：“天下之将，独有廉颇李牧耳。”
兄得们，不要被王者农药影响了，要多读史书，读史使人明智。
不要老以为白起是个肉，廉颇又肉又免控，李白是个剑客，关羽骑个马满峡谷晃荡，要尊重史书才是。
廉颇的一生就用一句话形容“吃饭，睡觉，打齐国。”不怪廉颇太厉害，实在是齐国太菜啊。
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