赵王只得又派使臣去请李牧复职，李牧闭门不出，坚称有病，不肯就任。赵王不得已，只得下令强令李牧出山。李牧对赵王说：“王必用臣，臣如前，乃敢奉令。”赵王只好答应了。

李牧又来到雁门，坚持按既定方针办，下令坚守。几年内匈奴多次入侵，都一无所获，但总以为李牧胆小避战。其实李牧早已经定下诱敌深入，设伏包歼的计谋，对种种屈辱骂名置之不理，而边庭将士因为天天得到犒赏，却没有出力的机会，都希望能在战场上效力。李牧看条件成熟了，于是经过严格挑选战车1300辆，又挑选出精壮的战马13000匹，勇敢善战的士兵5万人，优秀射手10万人，然后把挑选出来的车、马、战士统统严格编队，进行多兵种联合作战演习训练。公元前244年的春天，一切准备就绪之后，李牧让百姓满山遍野去放牧牲畜，引诱匈奴入侵。

不久，情报员来报告，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，详败于匈奴兵，丢弃下几千名百姓和牛羊作诱饵让匈奴俘虏去。

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。

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。

公元前245年，赵孝成王逝世，悼襄王即位。悼襄王元年（前244），让乐乘代替廉颇，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。

不久，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。第二年（前234），秦国派将军桓齮领兵入侵赵国武遂，赵王派扈辄领兵十万去救援，结果两军大战，扈辄阵亡，十万兵全军覆灭。桓齮杀死扈辄以后，乘胜进击，大军深入赵国境内，直向邯郸进军。赵王迁从代雁门调回李牧，任命他为大将军，迎击入侵的秦军。两军在宜安（现在河北省藁城县西南）相遇，李牧趁秦军立脚不稳，发起进攻，杀得秦军丢盔卸甲，大败而逃，桓齮也只带着几个亲随逃去。

这就是赵王迁二年（前234）李牧一却秦军。由于李牧却秦功大，赵王迁晋封李牧为武安君。武安君本来是秦国著名将领白起的封号，李牧击退秦军以后，赵王迁说：“李牧是寡人的白起”因而封为武安君。由此也可以看出赵王迁当时对李牧的倚重态度。

赵王迁四年（前232），秦军入侵，进到番吾（现在河北省平山县南），李牧再次击败秦军，解除秦的威胁。这就是李牧再却秦军。

公元前229年（赵王迁七年），秦大举攻赵，王翦率领上党郡兵卒直下井陉，杨端和率领河内兵卒进围赵都邯郸。赵派李牧、司马尚带领大军抵御。赵王宠臣郭开受了秦国贿赂，造谣说李牧、司马尚谋反。赵王因此改用赵葱和颜聚代替李牧、司马尚。李牧不受命，赵王使人隐微捕得，并杀了李牧，废司马尚。李牧临死，哀叹：“赵将亡！”

李牧死后的第二年，王翦大破赵军，俘虏赵王迁。赵灭亡。

司马迁对李牧的冤死，感叹愤慨，他说，赵王“迁素无行，信谗，故诛其良将李牧，用郭开。岂不谬哉！”

李牧、廉颇、白起、王翦为战国四大名将，大都没有好结局，李牧一死，赵国再也没有可用的大将了。

汉文帝后来感叹得不到廉颇、李牧那样的大将，以解除匈奴的忧患。

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