不久，从陇西方面传来军报，汉军停止了攻击，退守西县、下辨一带。紧接着，陈仓方面有紧急军报，汉军大出陈仓道，已经攻占了故道县城，北上渡过渭水，包围了陈仓，军中有大将韩信和汉王刘邦的旗号。而攻占了子午口的汉军，并未出山口攻击杜县，而是据山固守观望。这个时候，章邯方才省悟，汉军主力大出的方向，是陈仓道而不是子午道。忙乱之中，章邯命令大军掉转方向，由东向西往陈仓方向快速进军。
当章邯军匆匆抵达陈仓时，陈仓城已经陷落。乘胜的汉军，在陈仓、雍城一线严阵以待。两军会战的结果，章邯军战败，被迫退回废丘，章邯的弟弟章平统领一部分败退的雍军退守好畤(今陕西乾县东)，兄弟二人分守两城，成掎角之势阻止汉军东进，等待塞国和翟国军队的增援。
顺利进军的汉军主力，在韩信的指挥之下，沿渭河东进，直逼废丘。别部汉军，在曹参与樊哙的统领之下，跟踪追及章平，在好畤再次击败章平军后，围困了好畤。
退守废丘的章邯，得到了塞国和翟国军队的增援，军势复振，举军西出废丘，由壤乡(今陕西武功东南)和高栎(今陕西武功东南)出击反攻。韩信在正面顶住章邯军攻击的同时，秘密调动围困好畤的曹参军和樊哙军南下，从侧翼突袭章邯军。在汉军的两面夹击之下，章邯军大败，不得不再次退回废丘。
废丘之战，是汉军反攻关中的一次决定性大战。经过这场大战，三秦军的主力被击溃，丧失了主动攻击汉军的能力。废丘之战以后，章邯困守孤城，从此没有再出废丘一步。章平由好畤弃城逃亡，纠集北地、陇西的雍军残部继续作零星的抵抗，算是韩信平定关中之战的余音。
取得了废丘之战的胜利后，汉军乘胜攻占了好畤和咸阳，一直在子午口虚张声势的灌婴军也大举出动，一举攻克塞国首都栎阳。夺取了关中腹地的汉军，趁势以优厚的条件招抚三秦各地守军，大势所趋之下，塞王司马欣和翟王董翳先后投降，关中大局基本敲定。
