李陵杀败追骑，引兵向东南而行，行经四五日到了一个大湖，湖中遍是葭苇。时值隆冬北风大作，单于令部下顺风放火欲烧汉兵。李陵教兵士放火先烧免得延烧。一路行过大湖南至山下。单于引兵占住山上来攻汉兵。李陵望见单于亲在山上督战，下令张起连弩齐向单于射去。单于胆怯退下山来，召集大臣商议道：“这是汉朝精兵连战不疲，日夕引我南下，莫非另有埋伏不成？”于是决定商议退兵。
忽报汉军有人前来投降。原来军侯管敢被校尉笞责，竟去投降匈奴，报称汉兵并无后援，矢也将尽，只有李将军麾下及校尉韩延年部曲八百人。韩延年颍川人，即韩千秋之子。此次随李陵出征，现为校尉。
单于听后心中大喜，于是尽起兵队随后急攻。又遣精兵绕道至汉兵之前断其去路，口中大呼道：“李陵、韩延年速降！”汉兵被困谷中，胡兵立在山上，四面围射箭如雨下。汉兵五十万箭一概射尽。检点士卒尚有三千余人，惟手中各剩空弓如何拒敌？索性砍破车轮，截取车轴充作兵器。胡骑上山掷石，又堵住前面谷口，汉兵多被击死。
此时天色渐晚，两军休战，各进晚餐。李陵出营四望胡兵，只见漫山遍野安下营寨。李陵见了不觉心惊，自料难以逃脱，寻思良久仍回营中。左右不敢动问。但听李陵长叹一声说道：“兵败死矣。”遂命砍断旌旗并所携珍宝，就地上掘一大坑掩埋。李陵对将吏叹道：“每人再得数十箭便可脱身，今手无兵器如何战斗，与其束手待缚。不如各寻生路四散逃走，侥幸得脱尚可归报天子。”说完便传令兵士每人携带干粮二升，冰一片，各自逃生。到得夜半，李陵下令鸣鼓集队，鼓声忽然不响。李陵与韩延年一马当先杀条血路，兵士跟随出得谷中。胡骑数千追至，将李陵、韩延年围住，部下士卒早被冲散。韩延年血战而亡，李陵回顾部下只有十余人，不由向南泣说道：“无面目见陛下了！”说罢竟下马投降匈奴。错了，错了！如何对得住韩延年？
兵士尚有四百余人逃脱，将战败情形告知边吏。边吏飞报武帝。武帝以为李陵战死，过了一时方知李陵投降。武帝大怒，召到陈步乐责问。陈步乐恐惧自杀，武帝遂将李陵之母及妻子囚系保宫。
文武百官都骂李陵，汉武帝问太史令司马迁如何处置李陵。司马迁说：
“李陵提步卒不满五千，当匈奴亿万之众，转战千里矢尽援绝，士卒犹争先死敌。今虽身陷胡中，所立战功也足表彰于天下。所以不死者，可能是等候机会立功报汉。”，武帝心想，我命李广利统领大兵出征，使李陵为其援助，李陵偏欲自己逞功，以致兵败身降。于是勃然变色，命将司马迁交与廷尉办罪。廷尉奉命议定司马迁罪名，说是应处宫刑。司马迁竟被李陵连累遭刑，真是冤枉。
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。李陵在匈奴一年后，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，但言捕得胡虏，供称李陵见宠匈奴，教他备兵御汉，所以臣不敢深入，只好还军。武帝本追忆李陵，悔不该轻遣出塞，听了公孙敖的话信以为实，不觉大怒，遂命将李陵老母妻子一律处斩。李陵虽然有罪，但陵母及妻子实不该处死。
又过一年，且鞮侯单于病死，子狐鹿姑继立，遣使至汉廷报丧。武帝派人往吊，李陵听说家属被戮，免不得诘问汉使。汉使即将公孙敖所言备述一遍，李陵作色道：“这是李绪所为，与我何干。”言下恨恨不已。
使者将李陵之语回报武帝，武帝才知其误，但悔已无及。李绪也是汉人，官为塞外都尉，防守边城。匈奴来攻，李绪开城出降，单于待以客礼，常坐李陵之上。李陵自闻汉使之言，痛恨李绪教胡备兵累及老母娇妻，便乘李绪无备把他刺死。单于之母大阏氏听说后大怒，欲杀李陵。单于心爱李陵勇敢善战，将其藏匿北方，待大阏氏死后才回。单于将自己的女儿嫁给李陵，立之为右校王，从此与卫律一心事胡。卫律居内，李陵居外，都好似匈奴的夹辅功臣了。后人有诗叹道：
孤军转战奋余威，
矢尽援穷竟被围；
可惜临危偏不死，
亡家叛国怎辞讥？
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