悼王为此十分高兴，从而也就更坚定了重用吴起的决心，于是把吴起调回郢都。悼王虚心地向吴起请教：“吴将军，你看楚国的主要弊端在哪里，为什么对外作战老吃败仗？”吴起说：“我看楚国的主要问题在大臣权势太大和封君太多。大臣的权势太大就不听您的指挥和调度，直接威胁到大王的权威和信誉，他们的权越大，老百姓也就越苦。封君太多，他们不只在各地作威作福，而且大部分肥沃的土地都被他们侵占，国家的赋税也就征收不上来，府库空虚，国家自然贫弱。”悼王说：“你说得太对了，我也深有此感。还有哪些问题，请你再说说。”吴起又说：“楚国有的是土地，列国中哪一国也没有楚国的土广，但楚国的土地没有得到很好的利用；楚国所不足的是人民，然楚国也并不真是人口不足，关键是楚国的人口绝大多数都被大官僚、封君、贵族占住了，因此，国家要人，感到人力不够，要兵，感到兵源不足。而且，低下层人负担过重，难以养家活口，他们的生产所得全被盘剥而光，谁又愿多种土地和开垦荒地？”吴起通过他在宛地的实践，谈了楚国官场中许多**和不正之风以及军队中组织痪散和对士兵的虐待等许多问题。他和悼王谈了三天三夜，越谈越投机。悼王深为他的洞察力、分析力及渊博的学识所折服。最后，他向悼王提出：要想富国强兵，只有实行变法改革。悼王说：“我听你的，我把这件大事就交给你了。”
于是悼王就任命吴起为令尹，实行变法，并当朝宣布：令尹的命令就是我的令命，敢违抗者，杀无赦！吴起非常感激悼王的知遇之恩，决心充分施展抱负，报效楚国。因此上任之后，即大刀阔斧地开始改革。
首先，削减大贵族的特权，制定明确的法令，对大臣的权力进行限制。如颁布“减爵禄之令”，减就是减少和减免，爵即爵位，禄即俸禄，也就是当官的薪水。显然这是针对大臣和封君的，也就是降低他们的爵位，缩小他们的领地，减少他们的属民。又根据不同对象，有“损”、“收”、“平”等不同的具体作法。如将各级政府和各个部门中那些霸着位子不做事的人裁汰下来，也即史书所载“罢无能、废无用、损不急之官”。收即收回来，也即史书所载的“使封君子孙三世而收其爵禄”。也就是封君的封号和他的领地，只有他本人一代、儿子一代和孙子一代有效，到第四代国家就要收回去，再不能像过去一样，世世代代享受下去。“平”是针对尚在位的高官，即史书所载的：“平其制禄”，也即限制其收入，对其赏赐也做出了明确的规定，限制其权益不能过大，自然更不能无功受禄和让其********。
其次，整顿吏治，也即史书所载的“明法审令”。吴起从精简机构，裁汰冗员入手，削去了许多不必要的官职，接着打击不正之风，“塞私门之请，一楚国之俗”，即堵塞和杜绝私下里的请求（行贿受贿），改变楚国的不良习俗；禁止结党营私，勉励百官奉公守法；反对为了一已的私利而损害国家利益，制止奸佞之辈用谗言掩盖忠臣的忠心；提倡和鼓励为了“行义”而不顾牺牲个人的名利。同时，还提拔和起用一些有才有识之士，这样就大大提高了国家机关的行政办事效能。
其三，积极开发边远地区。吴起把那些收回了爵禄的贵族“往实广虚之地”，也就是把他们迁到地广人稀的地区，特别是楚国的南方。这样不仅新开垦出许多耕地，增加了楚国的粮食，这些贵族他们失去了俸禄，有的就从寄生虫变成了自食力的劳动者；而且，他们原来占有的土地，收归国（王）有，又可出租给无地、少地的农民。这样，不仅增加了国家收入，也缓和了阶级矛盾。
其四，改革军制，“要在强兵”。在进行政治、经济改革的同时，吴起建议悼王“砥励甲兵，以时争利于天下”，也就是建立一支强大的军队，这当然更符合悼王的心意。吴起建议把收回的俸禄和裁减官员省下来的钱，用来抚养士兵，扩充军备。悼王也很钦佩吴起的远见卓识和非凡的才干，便把重新组建和训练军队的任务全权授予了他。吴起来楚国之前，曾着有《吴起兵法》或简称《吴子》，在魏国他按自己的兵法进行了实践，取得了显着的效果，现在再一次进行实践，并结合实际作了许多补充：第一步他在全国招募兵员，选择年轻力壮之士，视其身材和特长分类编队，对善于使用五种兵器（戈、矛、戟、殳、弓箭），身强力壮，行动敏捷，“志在吞敌”的人予以提拔。第二步进行严格的训练，包括单兵技艺训练、阵法训练、编队训练以及联络记号训练等。他还特别注意训练骨干，“一人学成，教成十人；十人学成，教成百人……万人学成，教成三军”。正是用这种方法，使全军的素质迅速得到提高。除了反复地严格*练之外，又特别强调纪律和赏罚分明，一切行动必须坚决听从指挥。史书中记载了这样一个故事，有一次吴起领兵和秦人作战，两军尚未击鼓交锋，有个士卒克制不住杀敌情绪，不待上级令下，勇猛地冲上前去，杀了两个敌人回来，吴起下令把这个士卒斩了！军吏前来劝说：“这个士卒非常勇敢，很有才干，将军为什么要杀掉他。”吴起说：“他虽然很勇敢，但不是按命令行事，触犯军纪，就该斩啊！”军吏等无话可说。这就是用刑“不可不严”，罚得要准，惩处要及时。吴起不仅讲求重罚，更注重重赏，他将军功分为“上功”、“次功”，根据不同军功给予不同奖励。对立有大功的不仅升职提拔，对其家属和子女也予以赏赐，不只让为国杀敌立功的个人感到光荣，还让他全家都感到光荣。在两千多年前能考虑到这一点，的确是很不简单的，吴起不愧为伟大的军事家。
与此同时，吴起还极力奖励耕战。史书载：“禁游客之民，精耕战之士”，也就是禁止士民脱离农耕和行伍，鼓励士民努力耕种，储积粮食，这不仅解决了军队的粮食供应问题，达到兵精粮足的目的；而且也改善了士民及其家属的生活，从而解除了士卒的后顾之忧。
吴起还禁止纵横家到楚国来游说，以便让全国更安心变法和搞好生产。
吴起在悼王的全力支持下，变法改革得以顺利展开。但因他触犯了王公大臣的利益，一开始就遭到了剧烈反对。如大贵族之一的屈宜臼就直接指责吴起说：“吴起，你搞变法，是变故易常，不守祖宗之法，阴谋逆得，好用凶器，图谋把楚国搞乱。你是罪魁祸首，是危害楚国的祸根。”吴起和他进行了针锋相对的斗争，说：“楚国只有强大，才能争霸天下；只有实行变法，国家才能富强；因循守旧，只能处处挨打甚至有亡国的危险。你们为了一已私利就不愿楚国强大吗？你们怕楚国‘乱’，不怕楚国亡，是何居心？”宜臼无言可对，却并不甘心失败，他们散布种种破坏变法的言论，甚至纠合一伙旧贵族到悼王面前去诬告吴起，想要悼王中止变法，遭到悼王的痛斥：“前些年，三晋来犯，向你们要粮草，迟迟不给；调你们的军队，不堪一击。现在国家府库充实；令尹训练的军队，威严齐整；百姓安居乐业，街头无业行乞的游民已大大减少，这些有什么不好？乱在哪里，坏在哪里？”悼王环视了一下来进言的人，发现其中有几个正是按规定应到边远地区去的，指着他们说：“你们怎么违背命令还不快去？这是我的命令，不是令尹的命令，令尹不过是执行我的意旨！”有人在底下小声嘀咕：“我们没有犯法，为什么要去充军？”这个话被悼王听到了，驳斥道：“这不是去充军，这是去建功立业。充军能让你带那么多家财吗？这是给你新领地，你在那里搞得好，不仅可以免税，还可以受奖，充军能和这相比吗？还有一条，你不愿去实边，还可以到军队中去服役，在军队中立了军功，也可以受到奖励。这些都是建功立业的好机会，为什么不去？现在捣乱捣到我的头上来了，表面看，是说令尹的不是，实际上是在攻击我，要变法是我决定的，这些命令是我要令尹发布的，你们要造反吗？你们有几个脑袋？”这些反对者一个个被悼王问得口瞪目呆，有的头上直冒汗。悼王提高了嗓门，厉声作色道：“我若再听到了半句攻击变法的言论，定杀无赦！谁再敢抗拒不执行命令，定严惩不怠！听清了吗？”这些人只得乖乖回答：“听清楚了。”刚来时的嚣张气焰一扫而光了。悼王大喝了一声：“还不快给我滚蛋！”宜臼他们一个个夹着尾巴灰溜溜地逃走了。
由吴起领导并得到悼王全力支持的变法，取得了巨大成果。原来“贫国弱兵”的楚国很快强盛起来了。吴起统率楚军，驰骋征战，首先征服了南方五岭一带的百越部落，使楚国南部的领土，扩展到今湖南和广西交界的一带。建国以后，在这一带出土的楚文物，已充分证明这一事实。接着又在西面打败了秦国。历来对楚国威胁最大的是北面的三晋，特别是魏国对楚更是虎视眈眈，威胁最大。楚国在北方的一些土地，如原陈、蔡的一些地方，也被他们占去不少。魏国的威胁，成为悼王的心腹大患，不打败他们，压倒他们，悼王寝室不宁。悼王总在寻找机会，希望能战胜他们。机会终于来，悼王十九、二十年（公元前383——382年），魏、赵两国为争夺卫国而交战，齐国协助魏国，于是魏、齐、卫联合伐赵，战况激烈，于赵不利。赵走投无路，便向楚求救。楚国谋臣中有人主张这是三晋内部的事，用不着去管他；也有人主张不如坐山观虎斗，也可派点兵去观望，如果赵快取胜，就帮他一把；不过魏太强，赵要取胜难，当魏快胜利时，就快把兵撤回来，我军不去和魏拼，免得吃亏。吴起力排众议，认为这是出兵战胜魏国的好机会，我们不出兵，魏胜赵后，力量会更强，于我更不利；而我们现在出兵，看来是我们帮赵，而实是赵帮我们，并且现在的楚军，已足以打败魏军，何况还有赵军帮忙呢？有人认为吴起太狂，说魏还有齐、卫帮忙呢！吴起说：齐、卫并不会真正肯下大力气，再者他们的力量并不强，只要打败了魏军，他们就会自动撤走。
楚悼王二十一年（庚子，公元前381年），楚悼王命吴起统大军救赵。吴起分析了当时的战局，如果直接赴赵，一是路途较远，楚军需要长途跋涉；二是魏军的主力都到了赵地，而自己国内空虚，不如直接攻魏，攻魏薄弱的地方，这样，既可解赵之围，又可迅速取得战果。这一着果然十分灵验，楚军攻势凌厉，前线的魏军只得赶紧撤回，在州西被楚军打得大败。楚军所向披靡，横扫中原，一直打到黄河边；而赵军也趁势反击，占领魏的棘蒲等地。卫军成了缩头乌龟，齐军则跑回老家了。这一仗打出了楚军的威风，不仅收复了北方原陈、蔡被三晋占去的土地，并又新拓卫一些土地。而且，从战略意义来看，楚、赵从此修好，赵不再参与魏、韩伐楚，从此也就瓦解了三晋联盟，实际是楚在魏的后方找到了一个牵制魏的力量。这样，魏已再不是楚最可怕的劲敌了。正当楚军取得决定性的胜利，捷报不断向郢都都传来的时候，悼王可能太兴奋、太激动了，突然病逝。吴起只得从前线赶回都城，进宫料理悼王的后事。然而，旧贵族屈宜臼、阳城君等人不甘心失败，认为复仇的时机已经到了，他们纠集在一起，借到王宫对悼王进行悼念之机，丧心病狂地向吴起发起突然袭击。吴起情知自己性命难保，急中生智，临死卧伏王尸，并大喊“群臣乱王”，这些疯狂的贵族，仍未停息，继续射杀吴起。乱箭射中吴起，同时也射中王尸。他们将吴起射死犹不解恨，还把吴起的尸体拿出去肢解了，可见他们对吴起的痛恨程度。
悼王的丧事料理完后，楚悼王的儿子芈熊臧继位，为楚肃王。那些杀死吴起的家伙，不仅弹冠相庆，而且又都跑到肃王面前来表功，开始肃王不露声色，只是说：“吴起该杀，你们杀得“好”，要‘赏赐’，还有哪些人？”这些得令智昏的蠢货，一听说有赏，便一个个来争功。肃王要新令尹把他们的名字都记下来，一个也不要漏掉，然后要他们回去，等待赏赐。正当这伙权贵在梦想受赏的时候，肃王下了一道命令：要新令尹把他们统统抓捕归案，依法惩处。因为按楚国的法律，凡用兵器触到国王尸体的，一律处死，并罪及三族。除旭城君一个逃走外，其余70多家都被一网打尽。阳城君的封邑也被没收。而这些正是在吴起料想之中的，故《吕氏春秋·贵卒》的作者认为，这是“吴起之智”。
楚国当时的情况，就如1840年鸦片战争之后的大清帝国，处处受到列强的欺侮与****。严峻的国际形势和衰弱的国内现状，虽然让楚悼王身心疲惫，焦虑不安，但天性不服输的他并没有就此沉沦。他不愿眼睁睁地看着疆域辽阔，地大物博的楚国毁在自己的手中，他希望通过自己的努力尽快摆脱被动挨打的局面。为了楚国重新焕发新姿，他愿意肝脑涂地。楚悼王是一个善于思考的人，他将积贫积弱的楚国与富强无比的魏国进行了认真的对比，通过长时间的分析，他找到了魏国在短时间内就强势崛起的奥秘：魏文候启用李悝，通过变法维新，不仅解放了生产力，而且调动了国民参与国家建议和开疆拓土的积极性。
悼王和吴起死，继位的肃王除掉了那么多旧贵族，这就减少了不少阻力，进一步扩大和巩固了王权，政令也就更容易畅通了；同时，缓和了国内矛盾，发展生产也有了一个更安定的环境。但因没有像吴起那样有才干的人物。楚虽然还在稳步发展，却不再像悼王时有声有色了。
楚悼王任用吴起变法，前后不过八年左右的光景，却使楚国从一个贫弱挨打的大国，变成了一个富裕、强盛的大国。这既反映了悼王的远见卓识，善于用人和敢于用人，又反映了吴起的聪明和才干，他不愧是伟大的政治家和军事家。司马迁在《史记·孙子吴起列传》中，是这样评说的：“楚悼王素闻起贤，至则相楚。明法审令，捐（损）不急之官，废公族疏远者，以抚养战斗之士。要在强兵，破驰说之言从横者。于是南平百越；北并陈、蔡、却三晋；西伐秦，诸侯患楚之强。”能重用吴起的楚悼王是楚国历史上一个不甘落后，敢于变革的明君，也是一个值得称颂的明君。