李陵捕得俘虏，俘虏供出：“单于说：‘这是汉朝的精兵，久攻不能拿下，却日夜向南退走把我们引到塞边，会不会有伏兵呢？’而许多当户和君长都说：‘单于亲率数万骑兵攻打数千汉朝人，却不能把他们消灭，那以后将无法再调动边臣，将使汉朝越发轻视匈奴。务必在山谷间再度猛攻，还有四五十里才到平地，不能破敌，就退回来。’”这时，汉军处境更加险恶，与匈奴骑兵整日交战，多达数十回合，使匈奴兵死伤二千余人。
在李陵的顽强抵抗下，匈奴方面损失颇重，认为不能取胜，一度准备撤走，恰逢李陵军中有一个叫管敢的军侯，因被校尉凌辱而逃出投降了匈奴，对且鞮侯单于说：“李陵军无后援，并且箭矢已尽，只有他麾下和成安侯（韩延年）手下各八百人排在阵前，分别以黄、白二色作旗帜，应当派精锐骑兵射杀旗手，即可破阵。”且鞮侯单于得到管敢，大喜，命骑兵合力攻打汉军，边打边喊：“李陵、韩延年快降！”接着挡住去路猛烈攻打李陵。
李陵，处在山谷底，匈奴军在山坡上从四面射箭，矢如雨下，汉军坚持南行，未等冲到鞮汗山，一天之中五十万支箭已全部射光，便丢弃战车而去。
当时，汉军还剩下三千多名士兵，赤手空拳的就斩断车辐当武器，军吏们也只有短刀，又被一座大山所阻折入峡谷，单于切断了他们的退路，在险要处放下垒石，很多汉军士卒被砸死，不能前进。
黄昏后，李陵换上便衣独步出营，拦住左右说：“不要跟着我，大丈夫一个人去捉单于就足够了！”过了很久，李陵才回来，叹息说：“兵败至此，只求一死！”有的军吏说：“将军威震匈奴，陛下不会让您死，以后可想别的办法回去，像浞野侯虽被匈奴俘获，但后来逃回去，天子仍以礼相待，何况对将军您呢！”李陵说：“你别说了，我不死，不是壮士。”
于是，他要部下把旌旗都砍断，把珍宝埋藏在地下，又扼腕道：“再有几十支箭，足以逃跑了，可现在无武器再战，天一亮就只有束手待擒了。不如各作鸟兽散，还可能有脱身逃回去报告天子的人。”他令将士们每人拿上二升干粮，一大块冰，约定在遮虏鄣会合。
夜半时分，李陵等击鼓突围，但鼓声最终未响，李陵与韩延年一同上马，十多名壮士和他们一道冲出。匈奴派出数千骑兵紧追，韩延年战死，李陵长叹：“我无脸面去见陛下呀！”只得向匈奴投降，他的部下四散逃命，成功逃到边塞的仅有四百余人。
兵败之处，离边塞只有百余里，边塞把情况报告了朝廷，武帝料想李陵已战死，就把他母亲和妻子召来，要相面的人来看，却说他们脸无死丧之色。
后来，得知李陵已降匈奴，武帝大怒，责问陈步乐，陈步乐自杀。文武百官都骂李陵，武帝以李陵之事询问太史令司马迁的意见，司马迁为李陵辩解道：“李陵服侍母亲孝顺，对士卒讲信义，常奋不顾身以赴国家危难。他长期以来养成了国士之风。如今他一次战败，那些为保全身家性命的臣下便攻其一点而不计其余，实在令人痛心！况且李陵提兵不满五千，深入匈奴腹地，搏杀数万之师，敌人被打死打伤无数而自救不暇，又召集能射箭的百姓来一起围攻。他转战千里，矢尽道穷，战士们赤手空拳，顶着敌人的箭雨仍殊死搏斗奋勇杀敌，得到部下以死效命，就是古时的名将也不过如此。他虽身陷重围而战败，但他杀死杀伤敌人的战绩也足以传扬天下。他之所以不死，是想立功赎罪以报效朝廷。”
起初，武帝派李广利率领大军出征，只令李陵协助运输，后来李陵与单于主力战斗，李广利却少有战功。武帝认为司马迁欺骗自己，是想诋毁李广利而为李陵说情，把他投入狱中并施以腐刑。
很久以后，武帝悔悟到李陵是无救援所致，说：“李陵出塞之时，本来诏令强弩都尉（路博德）接应，只因受了这奸诈老将奏书的影响又改变了诏令，才使得李陵全军覆没。”于是，派使者慰问赏赐了李陵的残部。
武帝派因杅将军公孙敖，带兵深入匈奴境内接李陵，公孙敖无功而返后，对武帝说：“听俘虏说，李陵在帮单于练兵以对付汉军，所以我们接不到他。”武帝听到后，便将李陵家处以族刑，他的母亲、兄弟、妻子和孩子都被诛杀，陇西一带士人都以李陵不能死节，而累及家族为耻。
此后，有汉朝使者到匈奴，李陵对使者说：“我为汉朝领步卒五千横扫匈奴，因无救援而败，有什么对不起汉朝，而要杀我全家？”使者说：“陛下听说李少卿在为匈奴练兵。”李陵说：“那是李绪，不是我。”
李绪原为汉朝的塞外都尉，驻守奚侯城，匈奴来攻便投降了，匈奴单于对他优礼有加，坐次在李陵之上。李陵恨他为匈奴练兵而使自己全家被诛，便派人刺杀了李绪，匈奴的大阏氏知道后，要杀掉李陵，单于把他藏到北方，等到大阏氏死后才放回。
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