這次隻是小試牛刀，求穩的趙武靈王沒有繼續深入，班師回朝。為了防止其餘諸侯的乾預，趙武靈王派遣使者到秦、楚、齊、韓、魏開展外事活動，不過這個時候他們也在掐架，沒空幫中山國。公元前305年，趁中原國家混戰之際，趙武靈王對中山國發動了大規模的戰爭，本次投入的兵力有二十萬。
趙武靈王兵分南北兩路攻打中山國，南路軍隊由趙武靈王親自帶領，是本國的精銳部隊，北路軍隊由大將牛翦統率，主要由遊牧民族騎兵組成。兩支軍隊從兩個方向夾擊中山國，獲得大勝，三分之一領土被占。中山國迫於無奈，隻要割地求和。趙武靈王覺得一口氣吞不下中山國，就同意停戰，回去休整。
休整了兩年之後，趙武靈王再次對中山國發動攻勢。四年裡，三次大戰，中山國基本被趙國吞並，趙武靈王扶植了一個傀儡國君。公元前296年，中山國君被廢，中山國正式滅亡。
蘇秦後來在於齊湣王的對話中分析過中山國的滅亡原因，他說：“中山國以千乘之國對抗兩個萬乘之國都能取勝，說明用兵非常厲害。但就是這麼厲害的一個國家，最後還是滅亡了，是因為忽略了戰爭的禍亂。”中山國的國力撐不住連年的戰爭，被強國吞並是遲早的事情。
趙國吞並中山，領地大幅增加，結束了白狄鮮虞族二百多年的曆史。這幾年趙武靈王同時積極向西、向北攻打胡人的地盤，給趙國帶來了充足的牧場資源。趙武靈王把北方胡地作為騎兵基地，源源不斷為本國提供戰力。趙國從此走向實力巔峰，為戰國晚期與秦國的激烈對抗打下了基礎。