李牧到朝中任职，曾因国事需要调回朝中，以相国身份出使秦国，定立盟约，使秦国归还了赵国之质子。

赵悼襄王即位后，廉颇、乐乘相继离开赵国，田单、赵奢、蔺相如等重臣均已去世，于是李牧成为了朝中重臣。赵悼襄王元年（前244年），赵悼襄王派李牧进攻燕国，于次年（前243年）攻下燕国的武遂（今河北徐水西北遂城镇）、方城（今河北固安南）。

赵王迁二年（前234年），秦大将桓齮攻取赵的平阳（今河北磁县东南）、武城（今河北磁县西南），杀赵将扈辄，号称“斩首十万”。赵王迁三年（前233年），桓齮又乘胜进击，率军东出上党，越太行山自北路深入赵国后方，攻占了赤丽、宜安（今河北藁城西南二十里），深入赵的后方，造成包围赵都邯郸的形势。危急之下，赵王迁从代雁门调回李牧，任命其为大将军，率所部南下，指挥全部赵军反击秦军。

李牧率边防军主力进行反攻，大破秦军于肥（今河北晋县西）。桓齮逃走。此役后，李牧因功被封为武安君。

赵王迁四年（前232年），秦王嬴政再次派秦军入侵，秦军兵分两路攻赵，以一部兵力由邺（今河北临漳西南）北上，准备渡漳水向邯郸进迫，一军到了太原，攻取狼孟。自邺进军的秦军在北抵南番吾（今河北磁县）时，再度为李牧所大败。

李牧在击破秦军的同时，南距韩、魏二国，保证了赵国的安全。

李牧虽然一再战胜秦军，兵力的损失也是严重的，“赵亡卒数十万，邯郸仅存”。赵王迁五年（前231年），代地发生大地震。次年（前230年），赵国又发生大旱灾。

赵王迁七年（前229年），秦王嬴政在灭亡韩国后，大举兴兵伐赵。秦军分三路进军：王翦作为战役统帅，率上地（即上党）之师，越太行山，下井陉（今河北井陉）塞，攻赵国的中部；杨端和率河内之师北上，临漳、邺，由邺进围邯郸，羌廆也进攻邯郸周围，这是南路军；李信出云中、太原，攻赵的代郡一带，作为北路军。赵王迁任命李牧为大将军，司马尚为副将，倾全军抵抗入侵秦军。据《战国策》记载，李牧数次击退秦军进攻，还杀死了桓齮（有学者认为《战国策》所记“杀”应是“走”之误写）。

王翦知道李牧不除，秦军在战场上不能速胜，遂禀告秦王，再行反间故计，派奸细入赵国都城邯郸，用重金收买了赵王迁的近臣郭开，让郭开散布流言蜚语，说李牧、司马尚勾结秦军，准备背叛赵国。赵王迁一听到这些谣言，不加调查证实，立即委派宗室赵葱和齐人投奔过来的颜聚去取代李牧和司马尚。李牧拒不受命，赵王迁暗中布置圈套捕获李牧，并将他杀害（以上说法主要见载于《史记》《战国策·赵策四》。对于陷害李牧者为谁，除郭开外，还有不同说法。而关于他的死因，也有赐死之说。详见“人物争议”目录）。司马尚则被废弃不用。

李牧死后第二年，即在赵王迁八年（前228年），王翦乘势发起急攻，大败赵军，平定东阳（约今河北邢台地区）地区，赵葱战死，颜聚逃亡。秦军攻下邯郸后，俘赵王迁及颜聚。赵公子嘉率其宗族几百人逃到赵的代郡，自立为代王。至秦王政二十五年，代王嘉六年（前222年）秦将王贲带兵灭燕后，虏代王嘉，赵国自此灭亡。

李牧的军事思想主要内容有：

李牧军事思想是对战国末年赵国抗御外敌入侵战争实践的总结，对丰富和发展中国古代军事思想，特别是边防思想作出了贡献。

司空马：“赵将武安君，期年而亡；若杀武安君，不过半年。”

刘恒：“嗟乎！吾独不得廉颇、李牧时为吾将，吾岂忧匈奴哉！”

冯唐：

周兴嗣：“起翦颇牧，用军最精。宣威沙漠，驰誉丹青。”

王质：“李牧之在雁门，法主于守，守乃所以为战；祖逖之在河南，法主于战，战乃所以为和；羊祜之在襄阳，法主于和，和乃所以为守。是和战、守本殊涂而同归者也。”

司马贞：“颇牧不用，王迁囚虏。”

卢俌：“臣闻汉拜郅都，匈奴避境；赵命李牧，林胡远窜。则朔方之安危，边城之胜负，地方千里，制在一贤。”

苏洵：“洎牧以谗诛，邯郸为郡。惜其用武而不终也。”

司马光：“椎牛飨壮士，拔距养奇材。虏帐方惊避，秦金已闇来。旌旗移幕府，荆棘蔓丛台。部曲依稀在，犹能话郭开。”

何去非：“昔者冒顿之灭东胡、李牧之大破匈奴者，中之以其骄也；赵奢之破秦军，周亚夫之败吴楚者，中之以其怠也。”

张预：“孙子曰：‘能使敌人自至者，利之也。’牧以小利委敌，而匈奴大至是也。”

刘克庄：“说客为秦谍，君王信郭开。向令名将在，兵得到丛台。”

徐钧：“良将身亡赵亦亡，百年遗恨一冯唐。当时不受谗臣间，吕政何由返故乡。”

陈元靓：“三年不鸣，一鸣惊人。啾啾之群，焉知屈伸之徒，奚分否臧。用之则行，舍之则藏 。贤哉武安，志胜霜霰。众谓我怯，隐则难见。 边复我用，计亦自善。不捕一虏，不射一箭。先乃雌伏，后则虎変。匈奴所畏，燕秦不战。易若摧枯，疾如激电。终惑谗言，反袂拭面。 ”

胡三省：“秦军畏李牧，不敢战而还。赵之所恃者李牧，而卒杀之以速其亡。”

胡奎：“李牧守边日，屯兵膺门关。槌牛飨士卒，十年戎马闲。黄云覆沙漠，白雪漫天山。狼烽日以远，骅弓不敢弯。后来防秋戍，思之应腼颜。”

谢榛：“祠前草树已榛芜，谁复忧心击壮图。风雨有灵天意远，关山遗像月明孤。云连绝塞寒逾惨，雁过荒城夜急呼。战国千年成感慨，角声吹彻小单于。”

黄道周：“李牧良将，为赵守边。市租入幕，飨士无厌。烽火独谨，骑射习兼。边患即入，收保为先。不许浪战，战则斩焉。尽以为怯，易将火炎。战不得一，败亦失千。再请牧出，法只如前。士感愿战，然后戒严。出其不意，诱其兵添。一战破之，胆落心寒。不敢犯境，十有余年。如此功业，宜标凌烟。一不奉命，身首莫全。呜呼哀哉，为将难言。”

冯梦龙：“却秦守代著威名，大厦全凭一木撑。何事郭开贪外市，致令一旦坏长城！”

罗惇衍：“浩浩黄尘幕府开，飨军不战怒如雷。怯方见勇奔胡寇，货易生谗误将才。举国孰当王翦至，代君乃使赵葱来。干城自弃亡无日，虏到潼关未足哀。”

郑观应：“古之为将者，经文纬武，谋勇双全；能得人，能知人，能爱人，能制人；省天时之机，察地理之要，顺人和之情，详安危之势。凡古今之得失治乱，阵法之变化周密，兵家之虚实奇正，器械之精粗巧拙，无不洞识。如春秋时之孙武、李牧，汉之韩信、马援、班超、诸葛亮，唐之李靖、郭子仪、李光弼，宋之宗泽、岳飞，明之戚继光，俞大猷等诸名将，无不通书史，晓兵法，知地利，精器械，与今之泰西各国讲求将才者无异。”

梁启超：“古称兵法有守如处子、出如脱兔者，岂李牧之谓耶？……汉世孝文、孝景、孝武三代之境遇之军略，李牧以一身备之。”

徐喜辰、斯维至、杨钊主编的《中国通史·上古时代》称李牧为“战国末年赵国的良将”。

据《新唐书·宰相世系表》记载，李牧的祖先是秦司徒李昙。李昙的次子李玑，是秦的太傅。李玑生三子：李云、李牧、李齐。自李牧开始，李氏的一支定居赵郡，他因此被视为赵郡李氏的始祖。

李牧有三子：李汨、李弘、李鲜。李汨仕秦为中大夫、詹事，生李谅、李左车、李仲车。李左车是秦汉之际著名的谋士，辅佐赵王歇，功勋卓著，被封为广武君。李左车之后的李氏世系，参见“赵郡李氏”词条。

对于李牧的死因，史书中有“受秦所收买的间谍馋害后被他人杀害”和“受馋后自尽”两说。其具体情况如下：

（一）为秦所收买的间谍馋害后被他人杀害。而关于究竟为何人所谗害，亦有三种传说：1.《史记》的《廉颇蔺相如列传附李牧传》《赵世家》以及《战国策·赵策四》认为是为郭开所谗害；2.《战国策·秦策四》又说是顿弱北游燕赵而杀；3.《列女传》又称赵王迁母赵悼后通于春平君，多受秦赂而促使赵王迁诛李牧。

（二）受馋后自尽。根据《战国策·秦策五》记载，赵王迁的宠臣韩仓“疾贤妒功臣”，在赵王迁前说李牧的坏话，因此赵王迁使人代李牧统兵，并把他叫到王宫。赵王迁让韩仓责备李牧说：“将军战胜，得到大王赐宴，将军向大王敬酒，却带匕首，当死！”李牧辨白说：“我患有佝偻病，因手臂缩短了，不能触到地，在大王面前起居不敬，恐获死罪，所以让工人做了个木杖接手，大王如果不相信，我拿出来请您亲眼过目。”说着，从衣袖里取出缠布的木制假胳膊，给韩仓看，并请求韩仓向赵王迁说明情况。韩仓不肯，说：“受命于王，赐将军死，不赦！”李牧向北拜了两拜，本想即刻自尽，想道：“人臣不能在宫中自杀。”等出宫门后，取剑将要自杀，又因“臂短不能及”，于是以嘴含剑，将剑柄上自刺而死。

唐建中三年（782年），唐德宗追封古代名将六十四人，并允许他们配享武庙，当中就包括“大将军武安君李牧”。同时代被列入庙享名单的只有孙膑、田单、廉颇、赵奢、王翦。

宋宣和五年（1123年），宋室依照唐代惯例，列七十二位名将配享武庙，其中亦包括李牧。

河北省邯郸市丛台公园内的七贤祠中有一塑李牧的塑像，供后人纪念。

在明清之际的长篇小说《东周列国志》中，李牧出场于第九十六回，是赵国的田部吏，因奉公执法而为平原君赵胜所赏识（在史实中该故事的主人公是赵奢），被举荐为将，率精兵五千扈从赵王，参与渑池之会。在九十八回中又提到他曾率军救韩，于阏与大败秦兵（也是史实中的赵奢之事）。在第一百一回中，李牧受相国廉颇举荐，与廉颇分路抵御燕军大举进攻，在代地大败燕军，斩燕将庆秦，被任命为代郡守。在第一百二回中，奉命南行，从庆都一路断燕军剧辛部后路，助庞煖围歼剧辛部，又随庞煖取武遂、方城，迫燕王求和。事后仍守代郡。在第一百四回中，与庞煖合兵伐燕，取上谷三十城。在第一百五回中，被赵王以大将军印召回，率军十余万大败桓齮。赵王称赞李牧“乃吾之白起”，封其为武安君，食邑万户。在第一百六回中，赵王中王敖的反间计，杀害李牧，使军心涣散，秦军趁势灭赵。

关于李牧的生平，主要见载于《史记》的《廉颇蔺相如列传》《赵世家》，《战国策》的《赵策》《秦策》等。《资治通鉴》等史籍亦有相关的记载。