恰逢李陵军中有一个叫管敢的军侯，因被校尉凌辱而逃出投降了匈奴。对匈奴单于说由于李广利迟迟找寻各种借口不发兵，李陵军无后援并且箭矢已尽，只有李陵将军麾下和成安侯韩延年手下各八百人排在阵式前列，分别以黄白二色作旗帜，派精兵射杀旗手即可破阵了。匈奴单于听完管敢讲述后大喜，命骑兵合力攻打汉军，边打边喊李陵、韩延年快降！接着，挡住去路猛烈攻打李陵。李陵处在山谷底，匈奴军在山坡上从四面射箭，矢如雨下。汉军坚持南行，未等冲到鞮汗山，一天之中五十万支箭已全部射光，便丢弃战车而去。当时还剩士兵三千多，赤手空拳的就斩断车轮辐条当武器，军吏们也只有短刀。在又被一座大山所阻折入狭谷，匈奴单于命令切断了他们的退路，在险要处放下垒石，很多士卒被砸死，不能前进。
黄昏后李陵换上便衣独步出营，拦住左右说不要跟着我，让我一个人去干掉匈奴单于！过了很久，李陵才回来，叹息说兵败如此，惟求一死。军吏们说将军威震匈奴，陛下不会让您死，以后可想别的办法回去，像浞野侯赵破奴那样虽被匈奴俘获，但后来逃回去陛下仍以礼相待，何况对将军您呢！”李陵说你别说了，我不战死不为壮士。于是他要部下把旌旗都砍断，把珍宝埋藏在地下。又扼腕道再有几十支箭我们足以逃跑了，可现在无武器再战，天一亮就只有束手待擒了。不如各作鸟兽散，还可能有逃回去报告陛下的人。他令将士们每人拿上二升干粮一大块冰，约定在边塞遮虏鄣会合。
李陵准备夜半时分击鼓突围，但鼓却始终未响。李陵与韩延年一同上马，十多名壮士和他们一道冲出。匈奴数千骑兵紧追，韩延年战死。李陵长叹我无脸面去见陛下啊，于是下马投降了。他的部下四散逃命，逃回塞内的仅四百余人。李陵兵败之处离边塞只有百余里，边塞把情况报告了朝廷，武帝想必李陵已战死，就把他母亲和妻子召来要相面的人来看，却说他们脸无死丧之色。后来得知李陵已降匈奴，汉武帝刘彻大怒，责问陈步乐，陈步乐于是就自杀了。当时文武百官都骂李陵，汉武帝刘彻以李陵之事问太史令司马迁。司马迁则说李陵服侍母亲孝顺，对士卒讲信义，常奋不顾身以赴国家危难。他长期以来养成了国士之风。今天他一次战败，那些为保全身家性命的臣下便攻其一点而不计其余，实在令人痛心！况且李陵提兵不满五千，深入匈奴腹地，搏杀数万之师，敌人被打死打伤无数而自救不暇，又召集能射箭的百姓来一起围攻。他转战千里，矢尽道穷，战士们赤手空拳，顶着敌人的箭雨仍殊死搏斗奋勇杀敌，得到部下以死效命，就是古代名将也不过如此。他虽身陷重围而战败，但他杀死杀伤敌人的战绩也足以传扬天下。他之所以不死，是想立功赎罪以报效朝廷。起初汉武帝派李广利率领大军出征，只令李陵协助运输。后来李陵与单于主力战斗，李广利却少有战功。而汉武帝刘彻却认为司马迁诬罔，是企图诋毁贰师将军李广利进而为李陵说情，于是就下令把司马迁下狱并施以腐刑。
很久以后，汉武帝刘彻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，只因受了李广利这个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，汉武帝刘彻派因杅将军公孙敖，带兵深入匈奴境内接李陵。公孙敖无功而返，对汉武帝刘彻讲听俘虏讲，李陵在帮单于练兵以对付汉军，所以我们接不到他。这位皇帝陛下听到后轻信了公孙敖的话，便将李陵家处以族刑，他母亲、兄弟和妻子都被诛杀。陇西一带士人，都以李陵不能死节而累及家族为耻。此后有汉使到匈奴，李陵对使者说我为汉朝领步卒五千横扫匈奴，因无救援而败，有什么对不起汉朝而要杀我全家？使者说陛下听说李少卿在为匈奴练兵。李陵说那是李绪，不是我。李绪本来是汉朝的塞外都尉，驻守奚侯城，匈奴来攻便投降了。匈奴单于对他优礼有加，坐次在李陵之上。李陵恨他为匈奴练兵而使自己全家被诛，便派人刺杀了李绪。大阏氏要杀掉李陵，匈奴单于把他藏到北方去了，大阏氏死后才回来。匈奴单于很看重李陵，就把女儿嫁给他，立他为右校王，立卫律为丁灵王，他们都成了掌权的贵族。卫律的父亲本是长水胡人，但他却在汉朝出生长大。他同协律都尉李延年很好，李延年推荐他出使匈奴。出使回来，恰逢李延年家被抄斩。卫律害怕株连，就出逃投降了匈奴。
他很受单于宠爱，经常侍于左右。而李陵则住外边，遇到大事才召入计议。汉昭帝即位后，大将军霍光、左将军上官桀辅政，他们一向与李陵很好，就派李陵过去的好友陇西人任立政等三人去匈奴招李陵归汉。任立政等到匈奴后，匈奴单于置酒款待，李陵、卫律都在座。他们虽见到了李陵，但不能私下讲话，便用目光向李陵示意，又几次把佩刀上的环弄掉，趁捡环时握住李陵的脚，暗示他可以回汉朝去。此后李陵、卫律备牛酒慰问汉使，一起博戏畅饮，他们都穿着匈奴的服装蓄着匈奴发式。任立政大声说汉朝已宣布大赦，国内安乐，陛下年少由霍光、上官桀辅政。他想用这些话使李陵动心，但李陵听后沉默不语，又不经意地摸着头发说我已着胡服。过了一会儿，卫律起身更衣，任立政说少卿你受苦了，霍子孟、上官少叔向你问好。李陵说霍公与上官大人可好？立政说他们请少卿回故乡去，富贵不用担心。李陵小声对任立政说少公我回去容易，只怕再次蒙受耻辱，无可奈何！话未说完，卫律回来了，好像听到了他们最后的话，说李少卿贤能之人，大可不必只在一国居住，从前范蠡遍游天下，由余从西戎到秦国，今天还谈什么故国之类。说罢，就告辞了。任立政接着对李陵说：“你也有这个意思么？”李陵说大丈夫不能反复无常，再次蒙羞。自辞李陵在匈奴二十多年，元平元年（前74年）病死。