血战而降
李陵到达浚稽山后，与单于遭遇，被三万骑兵包围在两山之间。李陵将大车环绕起来作为营寨，带领士兵出营外列阵，前排持戟、盾、后排持弓弩，以钲声和鼓声作为展开与停止进攻的信号。匈奴见汉军人少，便直接正面攻击大营，李陵部近身与敌军展开对攻，后排弓弩齐发，匈奴应弦而倒。匈奴向山上逃窜，汉军追击，杀死数千人。单于大惊，召集左右地八万多骑合力进攻李陵军。
李陵向南边打边撤数日，到达山谷中。随着连续作战，汉军的伤亡也在扩大，士兵被弓箭射伤受伤三处的允许躺在车上，受伤两处的驾车，只受伤一处的扔需要拿起武器参与作战。李陵发现部队士气低下，怀疑军中藏有女人。便将士兵们藏在随军车辆中女子一一搜查出来，全部斩杀。[注 1]第二天再与匈奴交战，又杀死敌军三千余人。随后李陵引兵向东南沿着龙城旧道行军四五日，抵达大泽边上的芦苇地里。匈奴从上风口方向火攻，李陵也命令军中放火烧隔离带以求自救。李陵军南行至山下，单于在南山上，派遣其子亲率骑兵攻击李陵。李陵军利用地形与他们在树林中步战，又杀死数千敌军，并且用连弩射退单于。
这一天，李陵军捉到了匈奴俘虏，从他口中得知匈奴军中对坚持战斗产生了动摇。单于认为这支军队是汉朝的精锐部队，他们一边抵抗一边每天向南面边塞靠近，是为了引诱匈奴的军队进入伏兵的陷阱中，不应再继续深入追击。而其它匈奴贵族则认为，如果单于亲自率领数万骑兵都消灭不了区区数千汉军，会使匈奴在周边小国中的威信扫地，也让汉朝更加瞧不起匈奴。最终他们决定在接下来四五十里的山谷地形中继续发起猛攻，如果在此期间还是不能击溃汉军，令汉军成功抵达平地，到那时便只能退兵。
这时，李陵军的境况愈加危急。匈奴仗着人多，双方一日交战数十次，李陵军又杀死敌军二千余人。匈奴军见情势不利，本想退兵，恰在这时一个叫管敢的军候因为被校尉所辱，投降了匈奴，同时出卖了李陵军的情报。他告诉匈奴，李陵军没有后援，而且箭也快用光了，只剩下李陵及成安侯韩延年麾下各八百人的前排近战士兵，他们分别使用黄色和白色的旗帜，只要用精锐骑兵弓箭射击就能攻破。单于得知大喜，派出骑兵两面出击，并且朝汉军大喊“李陵、韩延年快投降！”同时截断汉军退路，将汉军包围起来依仗山势居高临下四面射击，箭如雨下。李陵部队向南退走，还没到鞮汗山，一天就把五十万支箭射完了，汉军随即舍弃军车继续撤退。这时李陵军还有三千余人，但是武器已经告急，普通士卒手持从车轮上砍下的车辐，军中的文吏把用来削刮简牍的尺刀也用来充作了武器，背靠着山壁退入峡谷中。单于部队断了汉军后路，把汉军逼近角落，同时从山上投下擂石，汉军伤亡惨重，无法行动。
黄昏后，李陵身着便衣独自走出军营，喝退左右说要单枪匹马去刺杀单于，但许久之后却只能绝望地回到营中，叹息道：“兵败了，只有死路一条了！”有军吏劝他可以效仿当年浞野侯赵破奴，即使被匈奴俘虏也应先保全性命，然后寻求机会返回汉朝，被李陵拒绝。当天晚上李陵下令将旗帜砍断与随军携带的珍宝一起掩埋。又下令解散军队，每人分发二升干饭、一大块冰，半夜时击鼓发令，所有人各自逃命，约定突围后在遮虏鄣会合。李陵与副将韩延年各自上马，有壮士十余人愿意追随他们，匈奴派了数千骑兵在后追赶。最后韩延年战死，李陵说：“我没脸回去见陛下！”投降了匈奴。他的军队分散逃离，最终突围成功回到了塞内的只有四百余人。