长平之战
赵惠文王三十三年（公元前266年），赵惠文王卒，孝成王立。这时，秦国采取应侯范雎“远交近攻”的谋略，一边跟齐国、楚国交好，一边攻打临近的小国。
赵孝成王四年（公元前262年），秦国进攻韩地上党。上党的韩国守军孤立无援，太守冯亭便将上党献给了赵国。于是，秦赵之间围绕着争夺上党地区发生了战争。这时，名将赵奢已死，蔺相如病重，执掌军事事务的只有廉颇。于是，赵孝成王命廉颇统帅赵军阻秦军于长平（今山西晋城高平市西北）（参见长平之战）。
当时，秦军几次打败赵军，已南取野王（今河南沁阳），北略上党（今山西东南部部分地区），切断了长平南北联系，士气正盛，而赵军长途跋涉而至，不仅兵力处于劣势，态势上也处于被动不利的地位。面对这一情况，廉颇正确地采取了筑垒固守，疲惫敌军，相机攻敌的作战方针。他命令赵军凭借山险，筑起森严壁垒。尽管秦军数次挑战，廉颇总是严束部众，坚壁不出。同时，他把上党地区的民众集中起来，一面从事战场运输，一面投入筑垒抗秦的工作。赵军森严壁垒，秦军求战不得，无计可施，锐气渐失。廉颇用兵持重，固垒坚守三年，意在挫败秦军速胜之谋。
秦国看速胜不行，便使反间计，让赵王相信秦国最担心、最害怕的是用赵括替代廉颇。赵王求胜心切，终于中了反间计，认为廉颇怯战，强行罢廉颇职，用赵括为将。虽然赵括母亲力谏，指出只知纸上谈兵的赵括不适合担此重任，但赵王不听，任用赵括为将军。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。秦国见使用赵括为将，便暗中启用武安君白起率兵攻赵。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，秦军包围了HD，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HD的包围。
破燕拜相
赵孝成王十五年（公元前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，可乘机进攻。”燕王于是出动了两支军队，两千辆战车，命栗腹率军进攻鄗城，卿秦率军进攻代地。
赵王派廉颇领兵反击，在鄗城大败燕军，杀死栗腹，俘虏了卿秦、乐闲，之后又包围了燕国都城。燕国割让五座城请求讲和，赵王才答应停战。经此一战，赵王把尉文封给廉颇，封为信平君，并任假相。
此战赵军在名将廉颇的指挥下，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。
暮年凄楚
赵孝成王二十一年（公元前245年），廉颇带兵攻取魏地繁阳（今HEN省内黄县西北）。
同年，赵孝成王去世，其子赵悼襄王继位。赵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。廉颇于是离赵投奔魏国大梁（今HEN省KF市）。
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，赵王想再任用廉颇，廉颇也想再被赵国任用。
于是，赵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。但使者回来向赵王报告说：“廉将军虽然老了，但饭量还很好，可是和我坐在一起，不多时就拉了三次屎。”赵王认为廉颇老了，就没任用他，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启用他，致使廉颇抑郁不乐，最终死在楚国的寿春（今AH省寿县）。
廉颇死后不久，赵国便被秦国灭亡（参见秦灭赵之战）。
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。”
贾谊：“吴起、孙膑、带佗、倪良、王廖、
田忌、廉颇、赵奢之伦制其兵。”
司马迁：“廉颇者，赵之良将也。以勇气闻於诸侯。”
谷永：“赵有廉颇、马服，强秦不敢窥兵井陉。”
《世说新语》：“廉颇、蔺相如虽千载上死人，懔懔恒如有生气。”
司马贞：“清梠凛凛，壮气熊熊。各竭诚义，递为雌雄。和璧聘返，渑池好通。负荆知惧，屈节推工。安边定策，颇、牧之功。”
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