李牧到朝中任職，約在前246年以后，他曾因國事需要調回朝中，以相國身份出使秦國，定立盟約，使秦國歸還了趙國之質子。

公元前245年，趙孝成王逝世，悼襄王繼位。

公元前244年，讓樂乘代替廉頗大將軍之職位，廉頗一怒之下，領軍攻擊樂乘，樂乘逃走，廉頗也就帶領自己部下，投奔魏國去了，當時，趙奢、藺相如已死，李牧成為朝中重臣。

公元前243年，趙王派李牧進攻燕國，攻下燕國的武遂(現河北省徐水縣西北的遂城鎮)、方城(現河北省固安縣南)。

公元前242年，趙王派將軍龐煖再次進攻燕國，殺死燕將劇辛。

公元前235年，悼襄王逝世，趙王遷即位。

公元前234年，秦大將桓齮攻取趙的平陽(今河北省邯鄲市磁縣東南)，武城(今山東省武城西)殺趙將扈輒于武遂，斬殺趙軍十萬。

公元前233年，桓齮又乘勝進擊，率軍東出上黨，越太行山自北路深入趙國后方，攻占了赤麗、宜安(今河北蒿城西南二十里)，進攻趙的后方，直向邯鄲進軍，形勢危急，趙王遷從代雁門調回李牧，任命其為大將軍，率所部南下，指揮全部趙軍反擊秦軍。

李牧率邊防軍主力與邯鄲派出的趙軍會合后，在宜安附近與秦軍對峙，他認為秦軍連續獲勝，士氣甚高，如倉促迎戰，勢難取勝，遂采取筑壘固守，避免決戰，俟敵疲憊，伺機反攻的方針，拒不出戰。

桓齮認為，過去廉頗以堅壘拒王龁，今天李牧亦用此計;秦軍遠出，不利持久，他率主力進攻肥下，企圖誘使趙軍往援，俟其脫離營壘后，將其擊殲于運動之中，李牧洞悉敵情，不為所動。

當趙將趙蔥建議救援肥下時，他說“敵攻而我救，是致于人”，乃“兵家所忌”，秦軍主力去肥后，營中留守兵力薄弱;又由于多日來趙軍采取守勢，拒不出戰，秦軍習以為常，疏于戒備，李牧遂乘機一舉襲占秦軍大營，俘獲全部留守秦軍及輜重，李牧判斷桓齮必將回救，遂部署一部兵力由正面阻擊敵人，將主力配置于兩翼，當正面趙軍與撤回秦軍接觸時，立即指揮兩翼趙軍實施鉗攻，經激烈戰斗，大破秦軍，李牧因功被封為武安君。

公元前232年，秦王嬴政再次派秦軍入侵，秦軍兵分兩路攻趙，以一部兵力由鄴(今河北臨漳西南)北上，準備渡漳水向邯鄲進迫，襲擾趙都邯鄲，自率主力由上黨出井陘(今河北井陘西北)，企圖拊邯鄲之背，將趙攔腰截斷，進到番吾(現河北省平山縣南)，因李牧率軍抗擊，邯鄲之南有漳水及趙長城為依托，秦軍難以迅速突破。

李牧遂決心采取南守北攻，集中兵力各個擊破的方針，他部署司馬尚在邯鄲南據守長城一線，自率主力北進，反擊遠程來犯的秦軍，兩軍在番吾附近相遇。

李牧督軍猛攻，秦軍受阻大敗，李牧即回師邯鄲，與司馬尚合軍攻擊南路秦軍。秦南路軍知北路軍已被擊退后，料難獲勝，稍一接觸，即撤軍退走。李牧擊破秦軍的同時，南距韓、魏。