李陵到了浚稽山与匈奴单于相遇，匈奴骑兵三万围李陵军。军驻两山间，以大车为营。李陵率将士出营外列阵，前行执戟盾，后行执弓弩，下令：“闻鼓声而进，闻金声而止。”匈奴见汉军少，直冲至营前，汉军短兵相接，搏战进攻。千弩齐发，匈奴应弦而倒，匈奴往山上逃走，汉军追击，杀数千人。单于大惊，召左右部落八万余骑兵攻李陵军，李陵且战且走，南行数日，到达山谷中。因为连续战斗，士卒中箭伤，有三次箭伤者坐车，两次箭伤者驾车，一次箭伤者持兵器作战。休战时，李陵问部将：“我军士气稍衰而鼓不起来是何原因？难道有女子吗？”原来李陵军开始出发时，有关东群盗的妻子被徙边的;随军为汉军士卒妇人，大都藏在车中，被李陵搜得，全部杀了。第二天再战，斩敌首三千。再引兵向东南，按照故龙城道撤退。四、五日，抵达大泽的芦苇中。匈奴从上风处放火，李陵令军士也放火自救。南行至山下，匈奴单于在南山上，令其子率骑兵攻击李陵军，李陵军利用树木，步战于树木之间，又杀数千人。因发连弩射单于，单于向山下逃走。当天捕得俘虏无数。俘虏交代：“单于说‘这是汉朝的精兵，攻击不能胜，日夜引诱我向南已近边塞。难道有伏兵么？’诸部落酋长都说：‘单于亲自率数万骑兵击汉军数千人不能灭，以后无法再派边臣，使汉朝越轻视匈奴，我们在力战山谷间，得四、五十里平地。如果还不能破汉军，我们就撤军。’”

当时，李陵军也很危急。匈奴骑兵多，鏖战一日冲杀数十回合，又斩杀敌虏两千余人。匈奴形势不利，准备撤退。就在这时，李陵军中有一军候管敢被校尉所羞辱，即逃至匈奴，并告诉匈奴：“李陵军无后援，箭矢已用尽。只有李将军麾下以及成安候韩延年部下各八百人为前锋，以黄色和白色为旗帜，只要用精锐骑兵射之即可破。”单于得到管敢的消息大喜，命令骑兵并力猛攻汉军，并高叫：“李陵、韩延年投降！”并挡住去路，急攻汉军。汉军守在谷中，匈奴在山上，四面围射，箭如雨下。汉军南行，未到鞮汗山，一日五十万箭矢皆用尽。当即弃车撤退，军士还剩三千人，砍下车辐持在手中，军吏持短刀，到鞮汗山后进入峡谷。单于挡住后路，沿山抛下垒石，士卒死伤很多，无法行走。黄昏后，李陵便衣出营，并制止左右说：“不要随我，大丈夫独取单于之首。”很久，李陵还营叹息：“兵败，只有一死了。”部下说：“将军威振匈奴，是天命不济。以后再找途径归汉。比如浞野候被匈奴所俘，后逃之归汉，天子仍然客气待他，何况将军呢。”李陵说：“你们不要说了，我不死不是壮士。”于是，砍折旌旗，把珍宝埋于地下。李陵叹息道：“再有数十箭矢足可以突围了。今天无兵再战，天亮后将坐以待俘，现各自散去，如侥幸逃脱则归报天子。”令军士每人装二升干粮;一片冰。并希望突围到遮虏鄣关的人相互照应。夜半时分，击鼓催起军士，鼓不响。李陵与韩延年都上马，壮士有十余人跟随。匈奴骑兵数千追击，韩延年战死。李陵叹息：“无面目报陛下。”于是投降匈奴。士卒分散，逃脱到关塞的有四百余人。

  李陵败处离关塞百余里，杀声都可以听到。汉武帝想要李陵死战，召见李母及其妻子，令相士察看面相并无死丧之色。后闻李陵投降，皇上盛怒。责问陈步乐，步乐自杀。群臣皆言李陵有罪。皇上问太史令司马迁；迁大声说：“李陵孝敬双亲；守信于士兵，常奋不顾身以从国家之急，这些素质是平时所积累的。李陵素有国士风度，如今战事一有不幸，平时以身保李陵妻子之臣，就随风而曲罪其缺陷，真令人痛心。李陵率步卒不满五千；深入匈奴戎马之地，压制数万之师，匈奴救死扶伤，自顾不暇，只能把会用弓的人都召来围攻。李陵转斗千里，弹尽粮绝，道穷途尽；士兵用空拳，冒白刃；向北争斗与敌同死，这样得到士卒出死力，虽然古之名将也不能及。虽兵陷战败；但其所杀败的匈奴骑兵也足以彰显于天下。李陵之所以不死；是想在适当之时立功报汉。”