第二天，天刚蒙蒙亮，就在赵军急于求战的气氛之中，韩信按计策率军出阵，他吩咐竖起大将旗帜，带着仪仗鼓号，从背水阵地卅束，出现在汉赵两座营垒之间，向着赵军营垒冲来。一路上，只见大将的旗帜满山遍野，鼓手们敲起大将出马的鼓点，声音震天。这阵势真壮观，真有气派。
赵军看见汉军的主力部队已到，便横下一条心，决定与汉军决战。于是，赵军打开营寨大门，部队一拥而出，合力迎击汉军，准备活捉韩信和张耳。两支劲旅紧紧地撕咬着，恶斗开始了，井陉关前的开阔地带，顿时变成了血肉横飞的战场。战斗持续很长时间，不分胜负。
于是，韩信带着士兵们深入太行山，在距离井陉口三十里的地方停了下来。半夜的时候，韩信召集将领，吩咐道：“天一亮我就带着军队向赵兵发动进攻，到时候我会假装失败，往后撤退。”将领们不解，他们看着韩信，问道：“为什么要假装失败？”
韩信指着一名将领，接着说：“你带着两千骑兵，每人拿着一杆军旗，赵兵看见我们后退，一定会从城里出来追赶我们。到时，你就带着两千士兵驰骋进入赵军的营寨，拔掉他们的军旗，把我们的军旗插在他们营寨上。”
此话说完，韩信对自己的副将说：“你去传令下去，今天我们打败赵兵以后，就在赵军的营寨里聚餐。”
众人听到韩信这样说，都将信将疑地问道：“大将军真有把握在今天打败赵兵？”
韩信笑着说：“赵兵今天必败！”众人虽然不是很相信韩信的话，但是也假装答应道：“好的，我们这就按照您的吩咐去做。”
韩信接着说道：“赵兵已经占据了井陉口有利的阻击地形，建造了坚固的工事。如果他们没有见到我的帅旗和战鼓，一定不会走出工事来迎战的。因为他们担心我到了他们的工事面前就会退回去，所以我会亲自带兵诱敌！”
布置妥当以后，韩信又派了一万人的部队在赵营附近的泜水边摆开了阵势。天快亮了，赵兵发现韩信把阵势摆在了泜水边上，都大笑起来。陈余见状，更是得意，他对部下们说道：“韩信这个笨蛋竟然把阵势摆在泜水的边上，我们一旦发起进攻，他们将失去退路，身陷绝境啊！到了那个时候众位将士请跟随我一起把河边的汉兵统统杀死，丢在泯水之中。”
众人听了陈余的分析，认为很有道理，都哈哈大笑起来。他们认为韩信聪明一世，糊涂一时，天一亮就将身首异处了！
等到天亮的时候，韩信命令士兵们竖起大将军的帅旗，擂起战鼓，往井陉口的赵营进军了。陈余见韩信亲自带兵前来挑战，哈哈笑道：“韩信啊韩信，你的死期到了！”说完，陈余就命令士兵们打开城门，冲出工事，和韩信的大军厮杀起来。韩信的队伍和陈余的士兵在井陉口狭长的山谷里展开了激烈地搏斗。战斗进行了许久，两军难分胜负。陈余看到这种情况，急忙把城里的士兵全部调了出来，和韩信大战了起来。
韩信看到所有的赵兵都已经开出城门，估摸着时机已经成熟，就下令士兵们丢下帅旗和战鼓，假装逃走。韩信带着士兵们往泯水边上陈列的一万士兵阵中退去。陈余见韩信和张耳带着士兵退到了泜水边上的汉军阵中，心中大喜。他对着士兵们喊道：“诸位将士随我全力搏杀，把韩信和张耳杀死在泜水边上。”
赵兵们听到陈余自信的喊声，顿时热血沸腾起来，纷纷扑向水边的汉兵。韩信和张耳已经和泜水边上的汉兵会舍，就立即返身和陈余军展开了殊死搏斗。汉兵们见自己的背后就是泜水，根本没有退路，如果后退，肯定会被淹死。他们纷纷想道：“与其被淹死，不如和赵兵死战，说不定还能杀出一条血路，死里逃生。”这样想着，汉兵们更是拼命向前，死战不退。陈余见状，就把自己强大的兵力全部压了上去。虽然赵兵越来越多，但是汉兵们自知没有了退路，都不肯放过任何一个前进的机会。因此，赵兵虽然发动了多次冲锋，但是仍然不能打败韩信的部队。
韩信见汉军士兵们殊死抵抗，心里十分高兴。这个时候，韩信预先埋伏的两千骑兵，忽然从小路冲了出来，驰骋着进入了赵国的营寨。他们一冲入营寨，就纷纷把赵军的军旗拔了下来，插上了红色的汉军军旗。顿时，整个赵营的上空就成了红色的海洋，汉军军旗插满了营寨。
陈余见汉军殊死抵抗，自己的部队不能取得胜利，又不能抓到韩信和张耳等人，就下令士兵们且战且退，退到营寨中去。韩信见陈余退却，估计自己的两千骑兵已经占领了赵兵的营寨，就指挥军队展开全面反攻，奋力掩杀赵兵。
赵军与汉军激战多时，陈余知道一时未能取胜，就命令后撤，准备坚守营帐。在多次冲击受挫之后，赵军将士也感到倦怠了，他们不得不暂且放下立功受赏的贪念，准备撤回本营，稍作休整，然后再设法进攻。
但是，赵军往后一看，只见自己的营寨里竟然插满了汉军的红旗，不由得军心大乱：汉军是从何处飞来的？怎能在不知不觉之间占据了我们的大营？坐镇大营中的赵王和陈余等人，是不是全都作了人家的俘虏？
赵军惊慌失措，秩序大乱。兵士们纷纷溃逃，自相践踏而死的，不计其数。赵王歇、陈余等人，因为脱离了大营，原有的指挥、通信系统都已经全部失灵，面对着全军大溃散，竟然无计可施。赵军将领们虽然当场杀了不少逃兵，以正军威，严明军纪，然而仍旧阻止不了士兵的逃亡。更多的逃兵拥来，裹挟着他们一道逃走了。
韩信见自己的战略意图，已经开始实现，命令据垒苦战多时的汉军，乘赵军混乱之机全力出击，占领敌军大营的两千名精锐骑兵，也不失时机地策马杀出，形成了东西夹击的局面，赵军大败。井陉关守军也丧失了斗志，弃城而逃。
陈余见大势已去，便领着亲信保护赵王歇，骑马往包围圈外面全力冲去。韩信见陈余要逃，便对张耳说道：“陈余要逃，你报仇的机会来了！”张耳见状，于是纵马追去。陈余见张耳追来了，使要回身迎战。所谓“仇人见面分外眼红”，两个有着不共戴天之仇的人，一旦接触便打得难分难舍。
此时，赵兵大半已经投降了韩信，只有一小部分还在做着最后的抵抗。韩信忽然想到了向陈余献计的李左车，于是他下令道：“不论是谁遇到李左车都不能杀了他。谁要是能生擒李左车，我韩信赏他黄金一千两。”士兵们听了韩信的命令，一边奋力和赵兵作战，一边暗暗留意李左车的下落。
陈余见赵兵大半都已经投降，于是不再和张耳死战，骑着马逃跑了。张耳带看几名士兵紧追不舍。陈余逃到泜水河边，被寒冷的河水挡住了去路，只好回身再和张耳等人大战。张耳大骂道：“陈余，你这个混蛋，我做我的常山王，和你有什么关系，你竟然串通田荣，攻破我的都城，害我成了亡国之君。今天我要报仇，你死定了！”
陈余也回骂道：“你本是赵王的丞相，居然大逆不道地取代赵王，统治赵国。我不过是替天行道罢了！虽然我今日兵败，但就是死也要和你决战到底！”说着陈余拍马向张耳奔去，两人又展开了厮杀。
陈余一心求死，只攻不守。张耳见状，大笑道：“陈余，你只攻不守，但求一死，我就成全你。”说着，张耳挥舞着手中的宝剑，往陈余的胸前刺去。陈余一个不小心，胸前被划破。于是，陈余急忙拍马往泜水冲去，他想冲过泜水，逃到对岸。张耳哪里肯放过自己的敌人！他立刻从背上取下弓箭，对着陈余的后心射去。
张耳大叫一声“中”，箭直奔陈余而去。陈余的马落入水中，受到水的冲击，无法及时躲闪。张耳的箭正中陈余的后心。他惨叫一声，落入了泜水，鲜血立刻把水面染红了，过了一会儿，陈余的尸体浮了起来。张耳看着尸体，喃喃道：“大仇已报！大仇已报！”
张耳回过头来，看到赵王歇被几名汉兵围在包围圈里瑟瑟发抖，他便大喝道：“把他绑了，带去见大将军。”士兵们得到命令，立刻把赵王歇捆绑了，带着去见韩信了。
至此，在与赵兵的作战中，韩信以三万人打败了陈余和赵王歇的二十万大军，大获全胜。这就是历史上著名的“背水一战”。