其後秦伐趙，占領了石城。公元前280年秦國再次攻打趙國，殺了二萬趙軍。這時秦王欲與趙王在澠池會盟言和（今河南澠池縣西），趙王非常害怕，不願前往。廉頗和藺相如商量認為趙王應該前往，以顯示趙國的堅強和趙王的果敢。趙王與藺相如同往，廉頗相送，而未達到低窪大與趙王分別時說：“大王這次行期不過三十天，若三十天不還，請立太子為王，以斷絕秦國要挾趙國的希望。”[3] 廉頗的大將風度與周密安排，壯了趙王的行色，同時由於相如澠池會上不卑不亢的與秦王周旋，毫不示弱地回擊了秦王施展的種種手段，不僅為趙國挽回了聲譽，而且對秦王和群臣產生震懾。最終使得趙王平安歸來。
澠池會結束以後，由於藺相如功勞大，被封為上卿，位在廉頗之上。
負荊請罪[4]
廉頗說：“我是趙國將軍，有攻城野戰的大功，而藺相如只不過靠能說會道立了點功，可是他的地位卻在我之上，況且藺相如本來是個平民，我感到羞恥，在他下面我難以忍受。”並且揚言說：“我遇見相如，壹定要羞辱他。”相如聽到後，不肯和他相會。相如每到上朝時，常常推說有病，不願和廉頗去爭位次的先後。沒過多久，相如外出，遠遠看到廉頗，相如就掉轉車子回避。[4]
於是藺相如的門客就壹起來直言進諫說：“我們所以離開親人來侍奉您，就是仰慕您高尚的節義呀。如今您與廉頗官位相同，廉將軍口出惡言，而您卻害怕躲避他，您怕得也太過分了，平庸的人尚且感到羞恥，何況是身為將相的人呢！我們這些人沒出息，請讓我們告辭吧！”藺相如堅決地挽留他們，說：“諸位認為廉將軍和秦王相比誰厲害？”回答說：“廉將軍比不了秦王。”相如說：“以秦王的威勢，而我卻敢在朝廷上呵斥他，羞辱他的群臣，我藺相如雖然無能，難道會怕廉將軍嗎？但是我想到，強大的秦國之所以不敢攻打趙國，就是因為有我和廉將軍在呀，如今兩虎相鬥，勢必不能***存。我所以這樣忍讓，就是為了要把國家的急難擺在前面，而把個人的私怨放在後面。”[5]
廉頗聽說了這些話，就脫去上衣，露出上身，背著荊條，由賓客帶引，來到藺相如的門前請罪。他說：“我是個粗野卑賤的人，想不到將軍您是如此的寬厚啊！”二人終於相互交歡和好，成為生死與***的好友。[6]
轉戰四方
公元前279年，廉頗向東攻打齊國，破其壹軍。
公元前276年，廉頗攻魏，陷防陵（今河南安陽南二十裏），安陽城（今河南安陽縣西南四十三裏）。正是由於廉、藺和好，使得趙國內部團結壹致，盡心報國，使趙國壹度強盛，成為東方諸侯阻擋秦國東進的屏障。公元前269年，秦昭襄王不滿趙惠文王違背盟約，出兵悍然攻趙地閼與（今山西和順）。趙將趙奢率兵增援閼與，大破。不甘失敗的秦王又發兵攻趙地幾（今河北大名），廉頗救幾，再破秦軍。此後強秦長期不敢攻趙。
長平之戰
公元前266年，趙惠文王卒，孝成王立。這時，秦國采取應侯範雎“遠交近攻”的謀略，壹邊跟齊國、楚國交好，壹邊攻打臨近的小國。
公元前262年，秦國進攻韓地上黨。上黨的韓國守軍孤立無援，太守馮亭便將上黨獻給了趙國。於是，秦趙之間圍繞著爭奪上黨地區發生了戰爭。這時，名將趙奢已死，藺相如病重，執掌軍事事務的只有廉頗。於是，趙孝成王命廉頗統帥20萬趙軍阻秦軍於長平（今山西高平縣西北）（參見長平之戰）。
手繪廉頗畫像
當時，秦軍幾次打敗趙軍，已南取野王（今河南沁陽），北略上黨（今山西中部地區），切斷了長平南北聯系，士氣正盛，而趙軍長途跋涉而至，不僅兵力處於劣勢，態勢上也處於被動不利的地位。面對這壹情況，廉頗正確地采取了築壘固守，疲憊敵軍，相機攻敵的作戰方針。他命令趙軍憑借山險，築起森嚴壁壘。盡管秦軍數次挑戰，廉頗總是嚴束部眾，堅壁不出。同時，他把上黨地區的民眾集中起來，壹面從事戰場運輸，壹面投入築壘抗秦的工作。趙軍森嚴壁壘，秦軍求戰不得，無計可施，銳氣漸失。廉頗用兵持重，固壘堅守三年，意在挫敗秦軍速勝之謀。
秦國看速勝不行，便使反間計，讓趙王相信秦國最擔心、最害怕的是用趙括替代廉頗。趙王求勝心切，終於中了反間計，認為廉頗怯戰，強行罷廉頗職，用趙括為將。雖然趙括母親力諫，指出只知紙上談兵的趙括不適合擔此重任，但趙王不聽，任用趙括為將軍。趙括代替了廉頗的職務後，完全改變了廉頗制定的戰略部署，撤換了許多軍官。秦國見使用趙括為將，便暗中啟用武安君白起率兵攻趙。大敗趙括軍於長平，射殺趙括，坑趙兵四十余萬。
第二年，秦軍包圍了邯鄲，達壹年多時間，趙國幾近滅亡，全靠楚、魏兩國軍隊來救助，才得以解除邯鄲的包圍。[7]
破燕敗魏
廉頗戲曲扮相
燕以趙大傷於長平，以丞相栗腹為將，針對趙國“壯者盡於長平，其孤未壯”的狀況，於公元前251年舉兵攻趙，趙孝成王令上卿廉頗、樂乘統兵13萬前往抗擊。廉頗分析燕軍的來勢後認為，燕軍雖然人多勢眾，但驕傲輕敵，加之長途跋涉，人馬困乏，遂決定采用各個擊破的方略。令樂乘率軍5萬堅守代，吸引攻代燕軍不能南下援救，自率軍8萬迎擊燕軍主力於鄗。趙軍同仇敵愾，決心保衛國土，個個奮勇沖殺，大敗燕軍，斬殺其主將栗腹。攻代燕軍聞聽攻鄙軍大敗，主帥被殺，軍心動搖。樂乘率趙軍趁機發起攻擊，迅速取勝，俘慶秦。兩路燕軍敗退。廉頗率軍追擊500裏，直入燕境，進圍燕都薊（今北京城西南）。燕王只好割讓5座城邑求和，趙軍始解圍退還。戰後，趙王封廉頗為信平君，任代理相國。[8]
此戰趙軍在名將廉頗的指揮下，利用燕軍輕敵、疲勞，趙軍則同仇敵愾，對來範之敵予以痛擊，是中國歷史上以少勝多的著名戰例。
廉頗任相國前後約六七年，多次擊退入侵敵軍，並伺機出擊。公元前245年，帶兵攻取了魏地繁陽（今河南內黃縣西北）。
廉頗從長平免職回家，失去權勢的時候，原來的門客都離開了。等到再被重用當將軍，門客們又都聚攏上來。廉頗很是感慨，要他們退去，門客告訴他：“這沒什麽奇怪。是以市場上的買賣方式交朋友，您有權勢，我們就跟隨您，您沒有權勢，我們就離開，這本是買賣常理。又有什麽埋怨的呢？”[9]
投魏奔楚
公元前245年，趙孝成王卒，其子趙悼襄王繼位。襄王聽信了奸臣郭開的讒言，解除了廉頗的軍職，派樂乘代替廉頗。廉頗因受排擠而發怒，攻打樂乘，樂乘逃走。廉頗於是離趙投奔魏國大梁（今河南省開封市）。[10] 廉頗去大梁住了很久，魏王雖然收留了他，卻並不信任和重用他。趙國因為多次被秦軍圍困，趙王想再任用廉頗，廉頗也想再被趙國任用。趙王派遣使者宦官唐玖去帶著壹副名貴的盔甲和四匹快馬到大梁去慰問廉頗，看廉頗還是否可用。廉頗的仇人郭開卻唯恐廉頗再得勢，暗中給了唐玖很多金錢，讓他說廉頗的壞話。趙國使者見到廉頗以後，廉頗在他面前壹頓飯吃了壹鬥米，十斤肉，還披甲上馬，表示自己還可有用。但使者回來向趙王報告說：“廉將軍雖然老了，但飯量還很好，可是和我坐在壹起，不多時就拉了三次屎。”趙王認為廉頗老了，就沒任用他，廉頗也就沒再得到為國報效的機會。[11]
廉頗
楚國聽說廉頗在魏國，就暗中派人迎接他入楚。廉頗擔任楚將後，沒有建立什麽功勞。他說：“我思用趙人。”但趙國終究未能重新啟用他，致使廉頗，抑郁不樂，最終死在楚國的壽春（今安徽省壽縣），年約八十五。[12] 十幾年後，趙國被秦國滅亡（參見秦滅趙之戰）。