汉武帝天汉二年（前99年）之二
李陵率军到达浚稽山以后，果然如愿见到了匈奴且鞮侯单于。然而且提侯单于的匈奴主力达三万之众，而且都是骑兵，瞬间就将李陵部包围。当时李陵部驻扎在两座山陵之间，营寨都是用行军的大车围成。面对人多势众的匈奴骑兵，李陵毫不畏惧，直接带领士卒在营寨之外布阵。前阵士兵执戟和盾严阵以待，后阵的士兵引弓和弩蓄势待发。
且鞮侯单于见汉军不过区区五千人，还都是步兵，所以直接下令扑向汉军的大营。李陵随即率军展开防御，命后军万箭齐发，匈奴骑兵死伤惨重。最终匈奴人抵不住巨大的伤亡，往山上败退。李陵则紧追不舍，一路上斩杀了数千人。
且鞮侯单于不禁大惊失色，但慌乱之余却没有自乱阵脚，他立刻指挥左右两翼共八千多骑兵从侧面攻击李陵，李陵且战且退，带着部队一路向南突围。几天以后，李陵率部进入一个山谷之中。
由于连日作战，汉军伤亡惨重。李陵便命有三处创伤的士兵让人抬着走，有两处创伤的士兵由车拉着走，有一处创伤的士兵继续拿着兵器战斗。即便这样，李陵的军队依然斩获了三千多个匈奴的首级。随后，李陵又率部向东南方行进，沿着以前的龙城古道一口气走了四五天，一直到达一片沼泽芦苇地中。匈奴见状，随即在上风口放火想烧死李陵。李陵也下令烧干净周围的芦苇以防备被大火包围。
走出大泽以后，李陵行军至一座山下。此时且鞮侯单于正在南边的山坡等着李陵，见李陵来到，且鞮侯随即派自己的儿子带兵攻击李陵。李陵情知不敌，退到山林中和匈奴缠斗，结果又杀死了数千匈奴。李陵还趁机让强弩手射击在山上的且鞮侯单于，且鞮侯单于惊出一身冷汗，只能退下山去。
就在这天，李陵抓获了一个俘虏，并从俘虏口中获得一个重要情报。原来且鞮侯单于认为李陵带领的部队在自己的猛攻之下依然有极强的战斗力，必然是大汉的精锐。而李陵率部一直往南方的边境上撤退，是要把自己带进汉军的包围圈，因此有意撤兵。可是匈奴的其他首领却认为，单于亲自带领数万骑兵却拿不下汉军数千步兵，恐怕以后没有办法再号令各部，而且也让汉朝看不起自己。因此他们强烈坚持再一次和李陵在山谷决战。这座山谷长四五十里，如果把李陵逼出山谷赶到平地上还拿不下他，再撤兵不迟。
其实当时，李陵的军队已经在崩溃的边缘。匈奴的骑兵数量太多，李陵像应付车轮战一般每天都要跟匈奴交战数十个回合，尽管如此李陵部还是杀伤了两千多匈奴。然而就在匈奴摸不清李陵的底细打算撤退时，一个叫管敢的汉人却因为被长官欺侮，一气之下投奔了匈奴，并向匈奴交了李陵的底：“李陵身后并没有援军，而且军中的弓箭马上就用完了。而且李陵的麾下亲军和校尉成安侯韩延年率领的八百人是先锋军，用黄旗和白旗作为标识。只要派精锐骑兵瞅准了标识射过去，李陵的部队必然崩溃。”
听到这个消息，且鞮侯单于大喜过望。他立刻派所有人马一齐向汉军发起冲锋，并大声吆喝：“李陵、韩延年投降吧！”然后，且鞮侯单于截断李陵的退路，并发起猛烈攻击。当时的形势，李陵所部在山谷中，而匈奴兵则在山上，汉军只能仰头朝山上四面射箭。李陵情知不敌，只能率军冒死往南突围，结果在到达汗山之前，汉军的五十万支弓箭在一日之间全部射尽。李陵只能丢下马车轻装突围。当时汉军还有三千多人，没有了武器的士兵们都拆下车辐条拿在手里做兵器，文官们则拿起写字用的刀尺砍杀敌人，但是汉军最终还是被逼退进一座狭谷中。且鞮侯单于截断了汉军的退路，并命人往山谷中扔下巨石。汉军死伤巨大，已经绝无生路。
黄昏后，李陵穿上便衣独自走出大营，他对随从说：“不要跟着我，我一个人去取单于首级。”过了一会，李陵回来叹息道：“败了！我们死定了！”于是下令斩断所有的旗帜，并把所有的珍宝都埋在地下。李陵叹息说：“再给我几十支箭，我就能突出重围了！可是如今已经没有兵力继续作战了。天亮后，大家就束手待缚吧。能跑的现在就逃走，如果逃了出去要把这里的事情禀告陛下。”
随后，李陵命手下士兵带上二升粮食，一片冰，各自突围，并约定在遮虏障会合。半夜时，军中击鼓传令，可是战鼓已经破了，敲不出声音。李陵和韩延年骑上战马，带着数十个战士突围而去。但是匈奴随后派数千骑兵紧追不舍。不久，韩延年战死，李陵仰天长叹：“我还有什么脸面去见陛下？”随即下马投降。其余的军士们全都四散逃去，最终逃进边境的不过四百多人。
李陵投降的地方距离边境不过只有一百多里地。边塞的守将们立刻将李陵投降的消息报告了朝廷。汉武帝之前听了陈步乐的转述，以为李陵必定战死沙场，可没想到他竟然投降了。汉武帝勃然大怒，立刻派人去责问陈步乐，几天时间往返数千里的陈步乐畏惧自杀。朝中大臣无人敢悖逆汉武帝的意思，便纷纷指责李陵。
汉武帝询问太史令司马迁的意见。司马迁说：“李陵为人非常孝顺，以诚信对待部下。在国家危急时刻，他更是不顾生死不计得失，有国士之风。可是如今他战事失利，朝廷上这群只知道保全自己身家性命的大臣们却争相指责他，真是让人齿冷！更何况李陵不过带着区区五千步兵，他深入敌境辗转千里，吸引了匈奴数万人马，并重创单于的部队。李陵的迅猛的攻势让匈奴人都没有时间救治伤员，他们只能让部落里凡是能拉开弓的男人都出来夹击李陵。哪怕到了最后，李陵的部队已经弓箭用尽穷途末路，可将士们依旧拿着空空的机弩，冒着敌人锋利的刀兵，至死都不肯向南溃退。这是李陵辛苦治军的成果，这也足以说明李陵可以媲美古代任何的名将！纵然李陵最终兵败，可他的赫赫战功依然足以向天下人矜表宣扬！我相信李陵之所以选择投降而不是自杀，一定是想继续活下去寻找机会报答大汉！”
汉武帝听了十分不爽，认为司马迁纯粹一派胡言，而且还夹枪夹棒地讽刺李广利，为李陵开脱。于是司马迁被处以宫刑。
过了一段时间，汉武帝回过味来了，他很后悔没能在李陵陷入绝境的时候派人去救他。汉武帝说：“我应该在李陵出兵的时候再派强弩都尉路博德去接应他。可我却提前下诏让路博德接应李陵，导致路博德这位老将有了攀比之心。”为了弥补过错，汉武帝派人去特意抚慰那逃回边塞的四百多个李陵旧部。
