李陵面对的，是由匈奴的最高统治者单于亲自率领的三万骑兵。单于在兵力上占据了绝对优势，便下令对李陵的军队发动进攻。不料这五千汉军异常勇猛，非但打退了匈奴骑兵的冲锋，还乘胜追击，杀敌数干人。单于这才知道遇到劲敌了！他连忙调集八万骑兵围攻李陵。李陵且战且走，向汉朝边塞撤退。匈奴也紧追不舍，战斗最激烈时一天交战数十回。单于越追越没有信心：八万骑兵打五千步兵，非但拿不下，还搞得自己伤亡惨重；更可疑的是这支小部队似乎是在把自己往南面引，难道汉军在边塞附近设了埋伏？他是否正在往人家的口袋里钻？单于犹豫起来，打算停止对汉军的追击。
但是就在这个节骨眼上，李陵的军中出了一个叛将。大概实在没有再苦战下去的勇气，他投奔到匈奴一边。这一来，单于就完全掌握了李陵的底牌：他既没有后援，而且箭也快用完了。匈奴军队现在毫无后顾之忧，死死咬住李陵不放。汉军的箭全部用尽，斩断车轮的辐条作为武器，连军中的文员都手持短刀上阵搏杀。最后一场鏖战后的夜晚，李陵试图突围失败，部队被完全打散。只有三四百人陆续逃回到汉朝边塞。李陵觉得当初豪言壮语，而今天却兵败如山倒，已没脸回去见汉武帝，便投降了匈奴。
李陵之降，不但给他本人和他的家庭造成巨大的悲剧，他的案子还把当时正在宫廷里担任“太史令”官职的司马迁也一起牵连了进去。
李陵兵败前，曾派遣校尉陈步乐向武帝汇报情况。陈步乐说，李陵深得士卒之心，这支远征军士气高昂。那时武帝非常高兴，公卿王侯都争先恐后地赞扬武帝有知人之明，朝中一片歌功颂德之声。汉军覆亡的消息传来，他们立即变了一副面孔，纷纷指责李陵。汉武帝为向远方的李陵施加压力，把他的老母亲和妻子抓到首都看管起来，促使李陵以死报国。但是不久便获得进一步的消息，说李陵已经投降。他非常失望，变得郁闷寡言，食不知味。群臣见皇帝如此，更加惶恐忧惧，不知所措。
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