不久，有小股匈奴到了离边境不远的地方。李牧派了一支小部队出战，佯败于匈奴，丢弃几千名百姓和牛羊作诱饵，让匈奴俘虏去。

匈奴单于听到前方战报，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，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。

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国的边境。李牧也因此成为继廉颇、赵奢之后赵国的最重要的将领。

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。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。

公元前235年，悼襄王逝世，赵王迁即位。赵王迁二年（前234年），秦大将桓齮(又称樊于期)攻取赵的平阳（今河北省邯郸市磁县东南），武城（今山东省武城西）杀赵将扈辄于武遂，斩赵首10万。公元前233年，桓齮又乘胜进击，率军东出上党，越太行山自北路深入赵国后方，攻占了赤丽、宜安(今河北蒿城西南二十里)，进攻赵的后方，直向邯郸进军，形势危急。赵王迁从代雁门调回李牧，任命其为大将军，率所部南下，指挥全部赵军反击秦军。

李牧率边防军主力与邯郸派出的赵军会合后，在宜安附近与秦军对峙。他认为秦军连续获胜，士气甚高，如仓促迎战，势难取胜。遂采取筑垒固守，避免决战，俟敌疲惫，伺机反攻的方针，拒不出战。

桓齮认为，过去廉颇以坚垒拒王龁，今天李牧亦用此计；秦军远出，不利持久。他率主力进攻肥下，企图诱使赵军往援，俟其脱离营垒后，将其击歼于运动之中。李牧洞悉敌情，不为所动。当赵将赵葱建议救援肥下时，他说“敌攻而我救，是致于人”，乃“兵家所忌”。秦军主力去肥后，营中留守兵力薄弱；又由于多日来赵军采取守势，拒不出战，秦军习以为常，疏于戒备。李牧遂乘机一举袭占秦军大营，俘获全部留守秦军及辎重。李牧判断桓齮必将回救，遂部署一部兵力由正面阻击敌人，将主力配置于两翼。当正面赵军与撤回的秦军接触时，立即指挥两翼赵军实施钳攻。经激烈战斗，10万余秦军全部被歼。桓齮仅率少量亲随冲出重围，畏罪逃奔燕国。秦王暴怒，以金千斤，邑万家购求桓齮之首（此头后来被荆轲经过友好协商，借去作见面礼刺杀秦王去了）。可见此次大胜对秦打击沉重，而赵得到喘息之机。这就是赵王迁二年（前234）李牧一却秦军。此战，李牧在战略上采取避其精锐、击其惰归之策。当得知敌军识其意图，诱其出战，全歼于野时，遂将计就计，用围魏救赵之策，攻其必救。在交战时，又采取正面阻敌，两翼包抄的战术，全歼秦军，创造了又一个围魏救赵的典型战例。