刘邦首先派郦食其劝说魏王豹归降。本来，魏王豹降汉之后，曾经东伐项羽。后来刘邦败于彭城，魏王豹见大势已去，便以“归视亲疾”为名，告假回到平阳（今山西临汾西南），不久就绝断河津渡口，宣布背汉投楚。刘邦为了解除北侧的威胁，派郦食其劝说魏王豹归附，不料魏王豹拒降。劝降不成，只好用兵。这年八月，刘邦任命韩信为左丞相，与灌婴、曹参等人攻打魏王豹。两军在蒲坂（今山西永济西）与临晋（今陕西大荔东）之间隔河相望。

魏王豹在河东的蒲坂部署重兵，企图恃黄河天险，阻止汉军从河西的临晋渡河。韩信则巧设疑阵，以声东击西的战术，迷惑魏王豹。他在临晋一带佯设大量兵力，陈列许多渡船，摆出要在临晋强渡黄河的架势。同时，又在北部的夏阳（今陕西韩城西南）埋伏重兵，制造大量的木瓮，用绳索连接起来，作为渡河的工具。当魏王豹还在蒲坂无忧无虑的时候，汉军却出其不意地渡过黄河，奇袭魏城安邑（今山西夏县西北）。魏王豹闻讯，不禁大吃一惊，急忙引兵迎战，却被韩信打得大败。九月，韩信攻占魏地，将俘获的魏王豹送往荥阳，并在魏地设河东、上党、太原三郡。

韩信平定魏地之后，派人回到荥阳，请求给他3万兵力，准备北攻燕、赵，再东击齐地，以便切断楚军的粮道，与荥阳的汉军主力配合，形成对楚军的钳形攻势，最后孤立并消灭楚军。刘邦采纳这个建议，并派遣熟悉燕、赵的张耳跟韩信一起，引兵北向击赵、代。

韩信首先攻取代国。当时，陈馀是名誉上的代王，因为他长期留守赵地，辅助赵王歇治理赵国，代国一直由相国夏说代理。刘邦在彭城大败之后，赵王歇与陈馀都背汉降楚，成为刘邦侧翼的威胁。公元前205年闰九月，韩信将兵进攻代国，在阏与（今山西和顺）一举击破代兵，擒获代相夏说。韩信下魏破代之后，刘邦将他的精兵调到荥阳，以加强汉军与楚军的对抗。

公元前205年10月，韩信与张耳率兵东向，进攻与代毗邻的赵国。赵王歇与陈馀闻讯，立即在井陉口（今河北井陉西北）屯兵20万，企图阻止汉军东进。井陉口地势险要，关隘狭窄，历来为兵家必争之地。赵国的谋臣李左车认为，汉将韩信过黄河，俘虏魏王豹，血战阏与，擒获夏说，如今在张耳协助下，汉军士气旺盛，其锋锐不可当。于是，他建议利用井陉口有利的险要条件，出奇兵战胜汉军。他说：井陉口道路狭窄，汉军长途行军，粮草一定还在大军后面，希望给我3万精兵，从小道绝断他们的辎重，赵军深沟高垒，坚营固守，不与汉军进行决战，使汉军进则欲战不能，退则没有归路，在荒凉山野得不到任何接济，用不了10天，就可将韩信、张耳的头送到赵王的面前。

李左车的作战方案切实可行，但是却遭到了陈馀的反对。陈馀声称不能用诈谋奇计，竟以兵法“十则围之，倍则战”为根据，认为韩信号称数万，其实不过数千人，他们从千里以外来进攻赵国，士兵早已疲惫不堪，我们如果避而不打，将来再有更强大的敌人，又该怎么对付它呢！诸侯就会说我们胆怯，轻视我们，并发兵进攻我们。因此，陈馀拒不采纳李左车的建议，李左车的作战方案无法实施。

韩信探知这一情况，心里十分高兴，命令汉军开到离井陉口30里的地方驻扎下来。到夜半更深时分，韩信从汉军中精选轻骑2000人，每人手持一面红旗，命令他们从小道绕到山上隐蔽起来，监视着赵军的动静。韩信嘱咐士兵说：“赵军只要见我军撤退，必定会倾巢出动，追击我军。到那时，你们就乘虚迅速进入赵军营垒，拔掉赵军的旗帜，插上汉军的红旗。”

接着，韩信又派遣一支万人的队伍，作为先遣部队，开出井陉口，背靠绵蔓水，摆成背水的阵势。韩信对先遣部队的将领说：“赵军已经先占据有利的地形，并且修筑了营垒，他们不见我军主力大将的旗鼓，一定不会攻打你们先头部队，因为他们担心一旦攻打你们，我军的主力部队就会向后撤退。”正如韩信所见，赵军不但没有攻击这支汉军，反而讥笑汉军背水列阵，将自己置于无路可退的死地。

天刚刚亮，韩信率领汉军人马，竖起汉大将旗号，擂响雄壮战鼓，一路杀出井陉口。赵将陈馀立即命令士卒出击，双方进行了长时间的激战。当两军正打得难解难分的时候，只见韩信、张耳丢旗弃鼓，佯装战败，带着汉军主力朝绵蔓水方向撤退。这时，赵军营垒的士卒全部出动，一面争抢汉军的旗鼓，一面追击韩信和张耳。韩信、张耳与背水列阵的1万先遣部队会合后，再次与赵军展开一场殊死的激战。汉军由于背水作战，前有20万赵军的追杀，后是水深流急的绵蔓水，出路只有一条：与其后退淹死在水中，不如向前拼死求活路。因此，汉军将士勇猛非凡，与赵军展开了拼死战，使赵军无法取胜。

当赵军倾巢出击、营垒空虚的时候，预先埋伏的2000汉军轻骑兵，立刻乘虚冲入赵军营垒，拔掉赵军全部的旗帜，插上2000面汉军的红旗。经过几个回合的厮杀，赵军眼看不能取胜，也无法俘获韩信等人，正想撤回营垒，不料自己的营垒已经全部插上汉军的红旗，他们不禁大惊失色，以为赵王及将领都被汉军俘虏，顿时军心慌乱，争相逃亡。尽管赵将杀了一些逃跑的士兵，然而已经无法收拾溃散的局面。于是，汉军两面夹攻，赵军全线溃败，陈馀被杀于泜水上，赵王歇成了汉军的俘虏。

赵国谋臣李左车，受到了韩信特殊的保护。早在汉、赵两军激战之时，韩信即已传令军中，不准加害李左车，能生擒他的将赏给重金。这是因为韩信对李左车的才智格外赏识。战斗刚刚结束，李左车果然被送到韩信面前，韩信亲自为他解缚，待之以师长之礼，并向他请教攻燕伐齐的策略。

李左车不负所望，对汉军及燕国双方的情况，进行了全面的分析。李左车认为，汉军英勇善战，连克魏、代、赵，这是它的长处。然而，汉军远征久战，疲惫不堪，以疲倦之师攻打坚固的燕城，恐怕很难短期取胜。这样，汉军的弱点就容易暴露，而且粮草供应也必然乏竭。而汉军征服不了弱小的燕国，则齐国势必倾力抵抗。如果燕、齐久攻不下，楚汉的胜负就难见分晓了，这是汉军的弱点。根据这一分析，李左车建议说：如今不如先解甲休兵，稳定赵国，抚恤百姓，犒赏将士，然后陈兵燕国边境，并派人去燕国劝降。燕国迫于汉军的声威不敢不听。燕国归顺了，齐必闻风而服。

韩信采纳李左车的意见，燕国果然不战而降。于是，韩信派人请求刘邦立张耳为赵王，以便镇抚赵国。刘邦同意照办。

韩信出奇制胜，接连夺取魏、代、赵、燕诸国，解除了汉军北翼的压力，使项羽越发孤立，也支援了刘邦在荥阳、成皋一线与项羽的对抗。

王立群对韩信如此评价：汉代的韩信是立了赫赫战功却死于皇帝之手的人，原因在于他只琢磨事，不琢磨人。韩信熟谙兵法，自言用兵“多多益善”，一生无一败绩，天下莫敢与之相争。然其政治上犯了严重错误，几次关键时刻都优柔寡断，得罪高祖，最终死于妇人之手。