李陵率士兵在营外列阵，前排士兵持戟和盾，后排士兵持弓和弩。匈奴兵见汉军人少，直接冲向营寨。李陵下令搏杀反击，千弩齐发，匈奴兵应弦而倒。匈奴兵败退上山，汉军追击，杀死数千人。
单于大惊，召集左、右贤王部八万多骑兵围攻李陵。李陵边战边向南撤退，几天后，抵达一个山谷中。连续交战，士兵多有箭伤，受三处伤的用车拉着，受两处伤的推车，受一处伤的继续持兵器战斗，又杀死匈奴三千多人。
李陵率军向东南方向，沿着昔日匈奴龙城的道路撤退。走了四五天，到达一片芦苇丛生的大沼泽地。匈奴兵在上风处放火，李陵也命令士兵在自己营地周围放火自救（烧出隔离带）。
继续南行到达山下，单于在南山上，派他的儿子率领骑兵攻击李陵。李陵的步兵在树林中徒步战斗，又杀死数千人，并用连弩（可连发的弩）射单于，单于下山躲避。这天抓到匈奴俘虏，俘虏说：“单于说：‘这是汉朝的精兵，攻打不下来，日夜引诱我们向南靠近边塞，会不会有伏兵？’匈奴的贵族首领（当户、君长）们都说：‘单于您亲自率领数万骑兵攻打汉军几千人却不能消灭，以后还怎么号令边臣？只会让汉朝更轻视匈奴。我们应再在山谷间奋力一战，前面还有四五十里就到平地了，如果到了平地还不能击溃汉军，再撤兵。’”
叛徒出卖与全军覆没：?
此时李陵军处境更加危急，匈奴骑兵众多，一天交战数十回合，又杀伤匈奴二千多人。
匈奴作战不利，打算撤退。恰在这时，李陵军中一个名叫管敢的军候（军中小官）被校尉侮辱，逃出投降了匈奴，详细报告：“李陵军没有后援，箭也快射光了，只有李陵将军本人和校尉韩延年（成安侯）各率八百名士兵作为前锋，他们用黄旗和白旗作为标志。如果用精锐骑兵集中射击他们，立刻就能攻破了。”
单于得到管敢大喜，派骑兵合力猛攻汉军，并大声呼喊：“李陵、韩延年快投降！”
匈奴挡住道路，加紧攻击。李陵军在山谷中，匈奴兵在山上，四面射箭，箭如雨下。汉军继续南撤，还未到鞮汗山（今蒙古国南部），一天之内五十万支箭全部用尽，于是丢弃车辆继续撤退。
士兵还剩三千多人，砍下车轴当武器，军官们拿着短刀（尺刀），退入一个狭谷中。单于堵住谷口，从山上滚下巨石，士兵死伤惨重，无法前进。
黄昏后，李陵穿着便衣独自走出营帐，制止左右随从说：“不要跟着我，大丈夫一人去取单于首级就够了！”过了很久，李陵回来，叹息道：“兵败，只有一死了！”于是砍断所有旌旗，把珍宝埋入地下，李陵叹息说：“再有几十支箭，就足以突围了。如今没有武器再战，天一亮，只能坐等被俘了。大家各自像鸟兽一样散去，或许有人能逃回去报告天子。”他命令军士每人带二升干粮、一块冰（解渴），约定到遮虏障会合。
半夜时分，李陵击鼓命令士兵突围，但鼓已敲不响（可能破损）。李陵与韩延年一同上马，十几名壮士跟随。匈奴数千骑兵追赶，韩延年战死。李陵说：“我没有面目回去报告陛下了！”于是投降了匈奴。汉军士兵分散突围，逃回边塞的只有四百多人。
李陵兵败后的朝廷反应?
李陵战败的地方距离汉朝边塞仅有一百多里，边塞守将紧急将消息上报朝廷。
汉武帝原本希望李陵能战死殉国；后来听说李陵投降了匈奴，大为震怒，严厉责问之前为李陵说好话的陈步乐。陈步乐惊惧自杀。
大臣们都谴责李陵的罪过。汉武帝询问太史令司马迁的看法，司马迁极力为李陵辩护道：
“李陵侍奉父母孝顺，对待士卒讲信义，常常奋不顾身为国家急难而献身，这是他平素的志向和行为，有国士的风范。如今他率兵出征不幸失败，那些只知道保全自身和妻儿的大臣就随之夸大他的短处，实在令人痛心！况且李陵率领不到五千步兵，深入匈奴腹地，抗击数万敌军。匈奴被打得救死扶伤都来不及，动员了所有能拉弓射箭的人一同围攻他。李陵转战千里，箭矢射尽，退路断绝，士兵们张着空弓，冒着敌人的白刃，面向北方拼死杀敌。他能让部下如此效死力，即使是古代的名将也不过如此！他自身虽然失败被俘，但他所杀伤敌人的巨大战果也足以向天下彰显了。他没有选择死节，应该是想寻找适当的机会来报答汉朝啊。”
汉武帝认为司马迁是在诬陷欺骗（诬罔），意图诋毁贰师将军李广利（沮贰师），为李陵游说开脱，于是将司马迁处以宫刑（腐刑）。
后来的反思：?
过了很久，汉武帝对未能救援李陵感到后悔，说：“应当在李陵刚出塞时，再下诏让强弩都尉（路博德）去接应他；因为事先就发了诏令（让路博德接应），反而使老将（路博德）得以生出奸诈推诿之心。”于是派遣使者前去慰劳和赏赐那些侥幸逃回的李陵残部。
国内局势恶化与《沈命法》的出台?
吏治严酷与民变四起：?
汉武