匈奴单于王听到前方战报，十分高兴，因久无缴获，于是率领大军侵入赵境，准备大肆掳掠。
李牧从烽火台报警和情报员报告中熟悉了敌情，早在匈奴来路埋伏下奇兵，待匈奴大部队一到，李牧为消耗敌军，先采取守势的协同作战，战车阵从正面迎战，限制、阻碍和迟滞敌骑行动，步兵集团居中阻击，弓弩兵轮番远程射杀，而将骑兵及精锐步兵控制于军阵侧后。当匈奴军冲击受挫时，李牧乘势将控制的机动精锐部队由两翼加入战斗，发动钳形攻势，包围匈奴军于战场，经过几年养精蓄锐训练有素的赵军将士们，早已摩拳擦掌，个个象生龙活虎，向敌人扑了过去。仿佛是一架运转严整的机器，两翼包抄的一万三千名赵军骑兵仿佛两把锋利砍刀，轻松的撕开匈奴人看似不可一世的军阵，在转瞬间扼住10万匈奴骑兵命运的咽喉。一整天的会战很快演变成一场对匈奴的追歼屠杀。十万匈奴骑兵全军覆没，匈奴单于仅带了少量亲随仓皇逃窜。
农耕民族在与游牧民族的争斗中，过去由于机动力劣势，一直处于被动地位，李牧指挥的此次会战使机动性较差的赵军在围歼战中得以发挥自身车战、步战的优势，是先秦战争史中以步兵为主的联合大兵团全歼骑兵大兵团的典型战例，对后世以步制骑的战术有着启发作用。
李牧大败匈奴之后，又趁胜利之势收拾了在赵北部的匈奴属国，灭襜褴、破东胡，收降林胡，迫使单于向遥远的北方逃去，完全清除了北方的忧患。在这次取得辉煌胜利的战役以后，慑于赵军之威，过了十几年，匈奴兵还不敢来入侵赵的边境。李牧也因此成为继廉颇、赵奢之后赵国的最重要的将领。
由于李牧确保了赵国边境的安全，使赵国君臣能无后顾之忧地对付强秦的兼并战争，实际上，蔺相如、廉颇、赵奢等人在政治军事斗争上的每一个胜利，都有李牧的协作支持在内。
李牧到朝中任职，约在前246年以后。他曾因国事需要调回朝中，以相国身份出使秦国，定立盟约，使秦国归还了赵国之质子。公元前245年，赵孝成王逝世，悼襄王继位。悼襄王元年(前244)，让乐乘代替廉颇大将军之职位，廉颇一怒之下，领军攻击乐乘，乐乘逃走，廉颇也就带领自己部下，投奔魏国去了。当时，赵奢、蔺相如已死，李牧成为朝中重臣。
此时，秦国迅速地兼并了魏国的大片土地，迫使魏国屈服之后，把主要兵力指向赵国。当时的燕国也趁赵国虚弱之际趁火打劫。于是，悼襄王二年(前243年)，赵王派李牧带兵入侵燕国，攻下燕国的武遂(现在河北省徐水县西北的遂城镇)、方城(现在河北省固安县南)。过了两年(前242)， 赵王派将军庞煖入侵燕，杀死燕将剧辛。
