魏军一口气逃至陉山（现新郑县西南三十里）上安营扎寨，企图凭着几堆小山丘阻挡楚军。魏王因双手被震伤，这时才感到阵阵剧痛，查点军士，方知只剩八万（马军二万、步军六万）。魏军刚全部用完饭，快马慌忙报告魏王说：“楚怀王已率大军往陉山方向追来，现已到离陉山十里的张庄一带。”魏王听完即令全军做好战斗准备。有军将对魏王说：“我军新败，军心沮散，现与楚军对战，实力相差悬殊，若是楚军到来，将陉山围住，那就危险了。”魏王说：“这个我知，等些时候韩王就会带大军前来，楚军连续作战，必定疲劳，那时和韩王大军合为一处，定可大败楚军。”半小时后，楚怀王率大军到了陉山，魏王不战，据山以对。楚怀王令大军将陉山围住，正准备安营扎寨，忽然快马来报说：“韩王率十万韩军赶来增援魏军，大军已到离这十里的唐庄了，正向陉山这边开来。”
楚怀王闻报，随令全军退后一里列阵，并对昭睢说：“魏、韩联军虽是十八万之多，但八万魏军新败，士气不振，且无大将，我军刚胜，士气正旺。因此，十五万楚军可以打败十八万魏、韩联军。”楚怀王接着说：“我军骑兵多，是个优势，可以冲击敌军步军，这样，也就更有胜算的把握。”于是，楚怀王随令昭睢率大军七万（马军三万、步军四万）迎战八万魏军，自己亲统八万楚军（四万马军、四万步军）迎战十万韩军。楚怀王随令四万楚军步军列为四行，一万六千骑兵分四队立于步军两旁，准备攻击韩军步兵的正面两边和两个侧翼，自己率二万四千骑兵迎击二万五千韩军骑兵。而昭睢则将四万楚军步军列为四行，一万骑兵分成两队立于步军两旁，准备攻击魏军步兵的两翼；自己率二万骑兵迎击二万魏军骑兵。不一会，韩王率十万韩军（二万五千马军、七万五千步军）到来，魏王见韩王率大军前来也率全部魏军冲下山来，却被昭睢大军拦住。
楚怀王趋马上前说：“来者就是韩王吗？”韩王也趋马上前说：“正是！”楚怀王说：“楚、魏相争，与你何干？为何要与楚交恶？”韩王这时心里正在嘀咕：原以为魏军与楚军正面对决，就算是楚军胜，也应自损一半才对，没想到魏军如此狼狈。早知是这样，就不应该率军前来。因此，一时答不上话来。楚怀王见韩王不答话，大怒，双腿一夹，乌睢马如风疾奔，手挥长枪，直取韩王。韩王见状大惊，掉转马头急跑回阵，韩阵中冲出一员韩将，大叫：“休伤我王！”挥刀向楚怀王砍来。楚怀王长枪一挥，嗙的一声！韩将的大刀被打到一边。楚怀王又一枪击去，噹的一声！把韩将的大刀打落于地。韩将大惊失色，掉转马头想逃，楚怀王一枪打去，正中后背，翻身落马，当场毙命。韩阵中又有两将奔驰过来，楚怀王拍马挥枪，冲杀过去，只一回合，一名韩将手上的枪便被打飞了二丈开外，人也被打落马下，声都没哼一下就死了。另一名韩将举矛刺来，楚怀王长枪一击，韩将长矛被打落地下，楚怀王挥枪一扫，韩将的头颅被打碎，哼的一下，翻身落马，一命呜呼。
顿时，楚军吼声连天，韩王见状，斗志全无，急令大军退回新郑。楚怀王也不追击，任由韩军撤退。楚怀王见韩军撤远，随命军将率二万铁骑击杀魏军步兵。魏王见韩王率大军退去，大惊，急令全军快退。昭睢见状，令楚军将士全军出击，楚怀王的二万铁骑也从侧面冲杀过去，魏惠王见大势已去，在一万多马军的护卫下逃回了偃师，其余魏军四散逃命，少数逃脱了，大部分逃不掉，或被斩杀，或缴械投降。昭睢楚军斩杀魏军二万余，俘虏三万，获战马五千匹，盔甲兵器五万副和粮草轻重一大批。
古城、陉山之战，楚怀王从魏惠王手里夺回了古城、陉山诸地，大获全胜。共斩魏军十五万（马军三万五千、步军十一万），俘虏三万，缴获战马三万五千匹，盔甲兵器十八万副和无数粮草轻重，自损军士五万五千人（马军一万二千，步军四万三千），因得战马三万五千匹，楚军马军反而变成八万骑了。魏惠王的二十万大军，只有一万五千马军逃回偃师，其余全被消灭，从此，魏国再也没有能力与楚国正面对抗了。随后，楚怀王令楚军攻占魏国的禹州（现河南禹州市）、襄城（现河南襄城县）、鲁山（现河南鲁山县），为报复韩王出兵助魏军，又令楚军攻占韩国的汝州（现河南汝州市）、伊川（现河南伊川县）等地，并在伊川设立了新城郡，管辖伊川、汝州、禹州、襄城、鲁山诸地。
