天汉二年夏，武帝下诏说：

高皇帝遗朕平城之忧；高后遗朕书信之辱。昔齐襄公复九世之仇，《春秋》称大。今单于屡犯我土，扣押我使，是不可忍！

于是遣贰师将军李广利将三万骑击匈奴。

李广利出酒泉，与匈奴右贤王战于天山之下，斩获一万余人，回归途中，被匈奴重兵包围。汉军缺食数日，死伤很多。代理司马陇西人赵充国率壮士一百余人为敢死队，冲破包围圈，李广利引兵随后，才得突出重围。汉兵阵亡十分之六七，赵充国身披二十余创。监军上报军情，武帝感动，把赵充国召到行所，亲自察看伤势，嗟叹不已，任为中郎。

却说李广长子李当户有子，名李陵，为侍中，善骑射，爱人下士。武帝以为有李广之风范，任为骑都尉，使将丹阳、楚人五千，屯守酒泉、张掖，教习军士武艺。李广利出击匈奴时，武帝召见李陵，想叫他为李广利押送辎重。李陵叩头请求说：“臣所将之人，皆荆楚勇士、奇材、剑客，力能扼虎，射术精良。愿得自当一队，出兰于山之南，以分单于兵，毋令其专向贰师将军！”武帝说：“不欲为贰师下属焉？我所发军多，无骑兵予汝。”李陵回答说：“无所将骑，臣愿以少击众，率五千步兵直捣单于王庭。”武帝壮其言，同意，并诏命弩都尉路博德将兵随后接应。路博德也羞为李陵之后，上书说：“今方秋，匈奴马壮，未可争锋，愿留李陵至春俱出。”武帝怒，怀疑李陵悔战，而教路博德上书拖延时日，因命李陵即刻率兵赴西河，协助李广利作战。李陵于是将步卒五千人，从居延出遮虏障，北行三十日，至浚稽山止营，命人绘制所过之处山川地形，派骑兵陈步乐报闻。武帝从陈步乐口中，得知李陵能使部下效命，很是欣慰，因以陈步乐为郎。

单于率三万骑兵包围李陵军。李陵军居两山之间，用大车围成营寨，自率士卒出营列阵，前队持戟、盾，后队持弓、弩。胡兵见汉军人少，直逼汉军阵前。汉军千弩齐发，胡兵纷纷应弦而倒。胡兵向山上退却，汉军进击，连杀数千人。单于大惊，召左、右两翼八万余骑一齐来战。李陵因寡不敌众，指挥部队且战且退，数日后，退到一山谷中。部下将士大多身中箭伤，仍然顽强作战。李陵命受伤三处者坐车上，受伤二处者推车，受伤一处者持兵作战，边战边沿故龙城道南撤，路上又杀三千余人。四五日，撤到一片沼泽地中。沼泽中长满芦苇，胡兵在上风口纵火烧营。李陵令军士放火烧光周围芦苇以自救。于是继续南撤，来到一座山脚下。单于屯军南山顶，遣其子率骑兵攻击汉军。汉军在树林中与敌步战，复杀数千人，并发连弩射单于。单于下山躲避，对诸将说：“此汉诱兵也！击之不克，连日引我近其塞，必有伏兵。”诸当户君长说：“单于自将数万骑击汉数千人不下，后无以使边臣，并令汉人益轻匈奴耳。今离汉塞尚四五十里，聊以击之，不能破即还。”

这时，汉军处境益发凶险，箭将尽，能战将士不到二千。李陵沉着应战，一日交战数十合，再次杀敌二千余。胡兵见不利，正想退去。恰在这时，李陵军中一军候管敢被校尉所辱，逃降匈奴，供出汉军实情。单于大喜，纵骑猛攻，边攻边呼：“李陵、韩延年速降！”胡兵居高临下，四面射箭，矢如雨下。汉军将士不断伤亡，缓慢南撤，未到汗山，五十万支箭全部用尽。李陵命军士放弃辎重车辆，砍下车辐做武器，文职人员手拿短刀加入战斗行列。汉军退到一狭谷中，单于亲自率兵截断汉军退路，命山上胡兵滚石砸击。汉兵多被砸死，兀自坚持。

黄昏后，双方休战，李陵身穿便衣独自一人步出军营。卫兵跟随。李陵阻止说：“毋随我，我当一人取单于！”良久，李陵还，叹气说：“兵败，死矣！”军吏说：“将军威震匈奴，天命不遂，可求道还归，如浞野侯为虏所得，后亡还，天子礼遇之，况于将军乎？”李陵说：“公休言，吾不死，非壮士也！”于是尽斩旌旗，把珍宝埋地中。李陵说：“若复得数十矢，足以脱矣。今无兵器，天明，将坐缚。徒死无益，不如乘夜分头突围，犹侥幸得脱报天子者。”令军士每人持二升干粮，一片冰，约定到遮虏障会合。夜半，李陵命人击鼓叫醒军士，但鼓已破，击不响，只得令人一一叫醒，各自突围。李陵与韩延年跨上战马，壮士十余人跟随。胡人数千骑兵围追堵截。韩延年战死。胡兵越战越多。李陵见不能脱，大叫一声：“无面目报答陛下矣！”遂放下武器。军士四散。逃脱到塞者四百余人。

李陵战败处离塞百余里，塞上军士已获消息，飞告武帝。武帝希望李陵能死战待援。后闻李陵已降，大怒，责问陈步乐。陈步乐自杀。朝臣纷纷谴责李陵，独太史令司马迁，上书为李陵辩护：“陵事亲孝，待士信，常奋不顾身以徇国家之急，其平素所为，有国士之风。今举事一不幸，全躯保妻子之臣随即捏造其短，诚可痛心！且陵提步卒不满五千，深入戎马之地，抑数万之师，虏救死扶伤不及，悉举引弓之民共攻围之。陵转斗千里，矢尽道穷，将士控无矢之弓，冒白刃之兵，犹拼死力战。其得人死力，虽古之名将犹不过。身虽陷败，然其战绩亦足以闻天下。彼之不死，必待报汉也！”司马迁身为太史令，述史不合圣意，固执己见，武帝早已不满，此次又见他包庇李陵，不由得大怒，遂下狱问罪。司马迁在狱中受尽折磨。

久之，武帝有所同情，说：“宜于李陵出塞时，再令路博德接应。而预先诏之，令路博德得生奸诈之心，不肯为李陵后。”于是遣使遍赐生还者。