人数如此悬殊，汉军不惧反而迎战得胜，使得单于大惊，他即刻下令，招来八万精骑与自己合军，共击汉军。
由此，汉军和匈奴军之间的军力更加悬殊，五千对十一万！
由于远离根据地，汉军且战且退，向南后撤。匈奴在单于指挥下，紧追不舍。相斗数日，汉军抵达一山谷之中，与追及的匈奴交战数阵，汉军中箭的人也越来越多。
李陵有条不紊，安排伤员，中三箭者以辇载之，中两箭者凭车，中一箭者依旧随军战斗。如此众寡不敌情况下，李陵神机妙算般指挥，汉军又斩首三千！
接着，李陵引兵东南，循龙城故道疾走了四五天，抵达一处大泽芦苇荡中。匈奴紧随，见汉军入芦苇丛，就在上风纵火，想借机把汉军都烧死。李陵非常懂得行军自救之道，他马上命令兵士也在自己军中点燃芦苇，纵火自救。
过了大泽之后，汉军到达山下，单于本人亲登南面山上一高台指挥，派他一个儿子亲自将兵，率领一部精骑攻击李陵。
汉军借林木掩护步战，又杀掉匈奴精兵几千人。
得知单于所在，李陵还指挥汉军发连弩射击单于，嗖嗖声吓得单于慌不择路，赶忙纵马下山跑掉。
下得山来，且鞮侯单于心中已惧，就对属下说：“这群汉朝精兵，击之而不能下，日夜引我军南近汉朝边塞，他们不会在那里安排了伏兵等着我们入口袋吧？”
单于如此说，显然他已经惧战，想以怕中埋伏为借口，挥兵后撤。
单于手下众多指挥官都急了，劝说道：“单于您自将数万骑，攻打汉军几千人不能击灭，那以后还怎么能指挥部落军队呢？如此怯战，又会使得汉军越来越轻视我们匈奴人。我们还是在山谷中和汉军继续力战，四五十里以外，就到平地了，我们骑兵可以发挥优势，如果到时再不能破，回军也不迟。”
单于听了，无可奈何，就接着率领军队追击。
匈奴骑兵很多，追击中与汉军一日交战数十合，但汉军勇气益厉，又杀匈奴两千多人。
沮丧之余，匈奴准备撤退。
恰在此时，李陵军中有个小军官叫管敢的，被校尉所辱骂，一气之下投降匈奴，具言汉军虚实，劝说单于：“李陵军队根本没有后援部队，箭矢又马上用尽。每次交战，李陵和他副手韩延年各率八百人为前锋，以黄白旗作指挥。如果单于您能派遣精骑轮射，定破汉军！”
得知李陵箭矢将尽，又无援军和伏兵，单于大喜，在派出一支大军遮断汉军归路的同时，马上合军，准备派出全部骑兵一起进攻汉军。进攻前，匈奴骑兵大呼李陵、韩延年的名字，让汉军即刻投降。
由于当时汉军在山谷谷地，匈奴军居高临下，四面射箭，矢如雨下。
汉军依旧边打边退，南行不已。一日汉军五十万支箭矢，几乎用尽，只得把原本装载箭矢的兵车丢弃（这种大车还能在空旷地带围成营垒）。
苦战至此，汉军还有战士三千多，戟断矢尽，只得截断车辐以为盾用，军吏持尺刀，近身与匈奴追兵肉搏。
再后，汉军残兵进入一处狭谷中，单于指挥骑兵穷追，掩袭其后，并且登山乘高，抛砸垒石，汉军士卒多被砸死，遂不得行。
入夜，李陵便衣独步出营，喝止左右说：“不必跟随我，大丈夫我要独身生俘单于！”
良久，李陵浑身鲜血归营，大声叹息道：“兵败，死矣！”
矢尽兵竭，李陵命令战士尽斩旌旗，和军中所载珍宝埋于地中。拄刀而立，李陵叹道：“如果我们再有数十支箭，足以得脱！如今我们手中没有兵器，天明再和匈奴兵交斗，只能是坐而受缚了。”
绝望之余，李陵命令兵士乘夜各自为战突围，希望最终能够有人得脱回报天子。
行前，李陵和士卒约定，如果大家能够力战有命逃回居延遮虏障（即居延以北汉军所筑之城障），到时候再集合相见。
夜半时分，李陵击鼓集合，鼓竟不鸣。无奈，李陵与韩延年俱上马，随从壮士十余人，乘夜突围。
匈奴早有所备，精骑几千人尾随追击。饶是此部汉军能战，疲惫如斯，追兵众多，众寡不敌，血肉格杀之中，包括韩延年在内，几十个汉军尽皆战死。
黎明时分，战场上只剩下李陵一人，面对包围上来的数千匈奴骑兵，李陵投刀于地，叹息说：“无面目报陛下！”
此时，如果有援兵稍来增援，李陵和部下残余汉军都能得脱。因为李陵投刀下马之地，距离汉朝边塞据点仅有百余里！
李陵败降匈奴后，单于非常重视，以己女妻之，立李陵为右校王。
李陵败降消息传到汉廷，武帝大怒。
确实，李陵的投降，到底是真降还是假降，当时后世一直争论不休。无论如何，他的投降，确实对当时汉朝军队的士气造成重大打击。为此，汉武帝在上朝的时候听到李陵投降匈奴的消息，勃然大怒，即刻下令逮捕了李陵全家。
见皇帝怒极，群臣希旨，都上书说应该对李陵宗族治罪。其间，唯独太史令司马迁出班力保，劝武帝说：“陵事亲孝，与士信，常奋不顾身以殉国家之急。其素所畜积也，有国士之风。今举事一不幸，全躯保妻子之臣随而媒糵其短，诚可痛也！且陵提步卒不满五千，深輮戎马之地，抑数万之师，虏救死扶伤不暇，悉举引弓之民共攻围之。转斗千里，矢尽道穷，士张空拳，冒白刃，北首争死敌，得人之死力，虽古名将不过也。身虽陷败，然其所摧败，亦足暴于天下。彼之不死，宜欲得当以报汉也。”
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