于是李陵带着他的五千步兵从居延出发了，向北行进了30天，在浚稽山扎营。李陵把经过的山川地形画成地图，派人回长安汇报了军情，汉武帝非常高兴。但就在这时，李陵遭遇了匈奴单于亲自率领的三万骑兵。

三万人对五千人，骑兵对步兵，战争结果本该毫无悬念，但匈奴人却被李陵杀得大败。单于于是左右增兵，以总计八万骑兵再次发动攻击。众寡如此悬殊，李陵只能一边作战，一边向南撤退。

李陵终于从匈奴俘虏口中得到了一个好消息。单于已经越追越恐惧，心中盘算：这样一支人单势孤的步兵，凭什么可以和我力战这么久？莫非是想把我吸引到汉朝边塞，然后大举围攻？匈奴的贵族们也在犹豫：前方还有四五十里的开阔地带，可以发挥骑兵的优势再猛攻一次，如果还不能成功，就撤兵。

也就是说，只要撑过这四五十里就安全了。李陵全军上下应该都精神一振，于是又是一天数十回合的激战，杀伤了匈奴两千余人。

但就在单于要撤兵的时候，李陵军中出了叛徒，把军情全部泄露给了单于：伏兵，不存在的；李陵军中的箭矢，也快用尽了。

单于于是放胆全力进攻，截断了李陵的归途，利用骑兵的速度优势抢占了全部有利地形，四面八方箭如雨下。李陵的部队也竭力还击。但最终，这支部队还是陷入了绝境。李陵长叹：“如果再有几十支箭，我们就可以回家了！”又说：“无面目报陛下！”于是向匈奴投降。

刚刚得到李陵投降的消息时，汉武帝非常愤怒，但慢慢平息后，还有点自责，当初李陵出塞，就应该派路博德接应他。他甚至考虑，李陵是不是假投降，暗中图谋大事。

汉武帝派公孙敖率军深入匈奴，设法接李陵回来，却不幸得到这样的情报：“我抓到了俘虏，他告诉我李陵在为单于训练军队，所以我一无所获。”

这下汉武帝真的愤怒了，杀了李陵的母亲、兄弟、妻子、儿女。李陵的坏名声传播开来，从此，陇西的士大夫提起李氏都感到羞耻。

后来，汉朝的使者到匈奴，李陵愤怒地质问他：“我为了汉朝率领五千人横行匈奴，因为没有救兵才失败，我有什么对不起汉朝的地方，要杀我全家？”使者说：“因为我们听说，你在为匈奴练兵！”

李陵立刻就明白了：“那是李绪，不是我！”李绪是另一个投降匈奴的汉朝将军。于是可知，公孙敖当时倒不是诬陷，而是听信了错误的情报。愤怒的李陵杀了李绪，从此也断绝了回汉朝的心思。不过，他并不和匈奴单于在一起，常在外面独立行动，好像草原上的一匹独狼。

后来，李陵在劝降苏武时说：“今足下还归，扬名于匈奴，功显于汉室，虽古竹帛所载，丹青所画，何以过子卿！”这话里包含着痛悔，遗憾，羡慕，景仰……无数情绪交织在一起。终究，没有任何伟业，可以和做一个忠臣相比。