魏軍一口氣逃至陘山（現新鄭縣西南三十里）上安營紮寨，企圖憑着幾堆小山丘阻擋楚軍。魏王因雙手被震傷，這時才感到陣陣劇痛，查點軍士，方知只剩八萬（馬軍二萬、步軍六萬）。魏軍剛全部用完飯，快馬慌忙報告魏王說：“楚懷王已率大軍往陘山方向追來，現已到離陘山十里的張莊一帶。”魏王聽完即令全軍做好戰鬥準備。有軍將對魏王說：“我軍新敗，軍心沮散，現與楚軍對戰，實力相差懸殊，若是楚軍到來，將陘山圍住，那就危險了。”魏王說：“這個我知，等些時候韓王就會帶大軍前來，楚軍連續作戰，必定疲勞，那時和韓王大軍合爲一處，定可大敗楚軍。”半小時後，楚懷王率大軍到了陘山，魏王不戰，據山以對。楚懷王令大軍將陘山圍住，正準備安營紮寨，忽然快馬來報說：“韓王率十萬韓軍趕來增援魏軍，大軍已到離這十里的唐莊了，正向陘山這邊開來。”
楚懷王聞報，隨令全軍退後一里列陣，並對昭睢說：“魏、韓聯軍雖是十八萬之多，但八萬魏軍新敗，士氣不振，且無大將，我軍剛勝，士氣正旺。因此，十五萬楚軍可以打敗十八萬魏、韓聯軍。”楚懷王接着說：“我軍騎兵多，是個優勢，可以衝擊敵軍步軍，這樣，也就更有勝算的把握。”於是，楚懷王隨令昭睢率大軍七萬（馬軍三萬、步軍四萬）迎戰八萬魏軍，自己親統八萬楚軍（四萬馬軍、四萬步軍）迎戰十萬韓軍。
楚懷王隨令四萬楚軍步軍列爲四行，一萬六千騎兵分四隊立於步軍兩旁，準備攻擊韓軍步兵的正面兩邊和兩個側翼，自己率二萬四千騎兵迎擊二萬五千韓軍騎兵。而昭睢則將四萬楚軍步軍列爲四行，一萬騎兵分成兩隊立於步軍兩旁，準備攻擊魏軍步兵的兩翼；自己率二萬騎兵迎擊二萬魏軍騎兵。不一會，韓王率十萬韓軍（二萬五千馬軍、七萬五千步軍）到來，魏王見韓王率大軍前來也率全部魏軍衝下山來，卻被昭睢大軍攔住。
楚懷王趨馬上前說：“來者就是韓王嗎？”韓王也趨馬上前說：“正是！”楚懷王說：“楚、魏相爭，與你何干？爲何要與楚交惡？”韓王這時心裡正在嘀咕：原以爲魏軍與楚軍正面對決，就算是楚軍勝，也應自損一半纔對，沒想到魏軍如此狼狽。早知是這樣，就不應該率軍前來。因此，一時答不上話來。楚懷王見韓王不答話，大怒，雙腿一夾，烏睢馬如風疾奔，手揮長槍，直取韓王。韓王見狀大驚，掉轉馬頭急跑回陣，韓陣中衝出一員韓將，大叫：“休傷我王！”揮刀向楚懷王砍來。楚懷王長槍一揮，嗙的一聲！韓將的大刀被打到一邊。楚懷王又一槍擊去，噹的一聲！把韓將的大刀打落於地。韓將大驚失色，掉轉馬頭想逃，楚懷王一槍打去，正中後背，翻身落馬，當場斃命。韓陣中又有兩將奔馳過來，楚懷王拍馬揮槍，衝殺過去，只一回合，一名韓將手上的槍便被打飛了二丈開外，人也被打落馬下，聲都沒哼一下就死了。另一名韓將舉矛刺來，楚懷王長槍一擊，韓將長矛被打落地下，楚懷王揮槍一掃，韓將的頭顱被打碎，哼的一下，翻身落馬，一命嗚呼。
頓時，楚軍吼聲連天，韓王見狀，鬥志全無，急令大軍退回新鄭。楚懷王也不追擊，任由韓軍撤退。楚懷王見韓軍撤遠，隨命軍將率二萬鐵騎擊殺魏軍步兵。魏王見韓王率大軍退去，大驚，急令全軍快退。昭睢見狀，令楚軍將士全軍出擊，楚懷王的二萬鐵騎也從側面衝殺過去，魏惠王見大勢已去，在一萬多馬軍的護衛下逃回了偃師，其餘魏軍四散逃命，少數逃脫了，大部分逃不掉，或被斬殺，或繳械投降。昭睢楚軍斬殺魏軍二萬餘，俘虜三萬，獲戰馬五千匹，盔甲兵器五萬副和糧草輕重一大批。
古城、陘山之戰，楚懷王從魏惠王手裡奪回了古城、陘山諸地，大獲全勝。共斬魏軍十五萬（馬軍三萬五千、步軍十一萬），俘虜三萬，繳獲戰馬三萬五千匹，盔甲兵器十八萬副和無數糧草輕重，自損軍士五萬五千人（馬軍一萬二千，步軍四萬三千），因得戰馬三萬五千匹，楚軍馬軍反而變成八萬騎了。魏惠王的二十萬大軍，只有一萬五千馬軍逃回偃師，其餘全被消滅，從此，魏國再也沒有能力與楚國正面對抗了。隨後，楚懷王令楚軍攻佔魏國的禹州（現河南禹州市）、襄城（現河南襄城縣）、魯山（現河南魯山縣），爲報復韓王出兵助魏軍，又令楚軍攻佔韓國的汝州（現河南汝州市）、伊川（現河南伊川縣）等地，並在伊川設立了新城郡，管轄伊川、汝州、禹州、襄城、魯山諸地。