卻說匈奴逃往漠北之後，專事休養人馬練習騎射，久未犯邊。但不時遣使者到漢請求和親。後來貴臣來漢，忽得一病死於長安，武帝命路充國佩二千石印綬往送其喪，厚加贈遺值數千金。路充國到匈奴後，單於說貴臣是被殺死的，乃扣留路充國不讓他去。當日被匈奴扣留者前後十餘人，漢扣留匈奴使者彼此相當。
忽報路充國自匈奴歸來詣闕求見。當下召入問明情形。充國行過禮後，方將匈奴事實約略上陳。
原來匈奴兒單於在位三年病死，有子尚幼不能嗣位，國人立他季父右賢王呴犁湖為單於。才及一年呴犁湖又死，弟弟且鞮侯繼立。且鞮侯恐漢朝發兵進攻，乃自說道：“漢天子是我丈人，我乃兒子怎敢敵漢？”說著即將漢使路充國等一律釋回，並使人護送且奉書求和。武帝聞言甚喜，也盡釋所留匈奴使者，遣中郎將蘇武持節送歸，並以財幣厚贈單於答其善意。
蘇武字子卿，即前平陵侯蘇建之子。蘇建自與趙信征胡戰敗，贖為庶人，後複為代郡太守，病卒任所。蘇武兄弟三人，自少皆以父蔭為郎，後兄蘇嘉為奉車都尉，弟蘇賢為騎都尉，而蘇武為栘中廄監。時李廣之孫李陵為建章監，與蘇武同為侍中，二人交好甚密。蘇武此次受命出使吉凶難卜，特與母妻親友訣別，李陵聞知也來送別，並作詩三首贈行。
蘇武與副使中郎將張勝、屬吏常惠及士卒百餘人離了長安一路北去，到得匈奴入見單於，傳達武帝言語，送還匈奴使者，並將財幣送與且疑侯單於。單於本無意與漢和好，隻因初次即位人心未定、又因漢使不肯投降，留在國中無益於事，不如放還，借此為緩兵之計。今見武帝贈以厚禮愈加驕傲，正欲遣人發送蘇武歸國，誰知忽然發生事故。
原來衛律素與李延年交好，李延年薦於武帝，武帝遣其出使匈奴。適值李延年犯罪被囚，衛律不敢回國便降匈奴。單於一得衛律格外寵任，封他為丁靈王。其部下虞常從衛律出使，不願降胡，密與緱王商議，二人計議許久，苦於未得機會。此次蘇武到來，虞常前在中國時與副使張勝相識，便與張勝密說道：“聞漢天子甚怨衛律，我能為漢殺之，吾母與弟在漢望得天子賞賜。張勝立即允許，並以財物贈與虞常。虞常自去預備。
一個多月後，單於出外打獵，隻有閼氏和單於子弟在。虞常等七十餘人起事前，一人趁夜逃跑，揭發了他們的計劃。單於子弟與他們交戰，緱王戰死，虞常受擒。且鞮侯聞變馳歸，令衛律嚴訊此案。張勝詳告蘇武，蘇武愕然道：“事已至此怎能免累？我若對簿虜庭豈非辱國？不如早圖自盡罷！”說罷拔出佩刀便欲自殺。張勝、常惠連忙上前攔阻，蘇武被眾人勸住不得動手，心裏早決計安排一死。張勝等心中惴惴各懷鬼胎，但望虞常不將此事供出，便可保全無事。
誰知虞常被衛律嚴刑拷打痛苦難忍，隻得據實供出。衛律將供詞告知單於，單於召集貴臣議殺漢使。左伊秩訾勸阻道：“彼若謀害單於，也不過罪及死刑，今尚不至此，不如赦他一死迫令投降。”單於便召漢使並其從人到來聽命。蘇武聞召昂然前往；張勝、常惠也氣憤地跟隨而來。
衛律便傳單於之命立迫投降。蘇武聽了對常惠等說：“我若投降匈奴屈節辱命，以後有何麵目歸漢。”說罷便拔刀自刺。在會眾人大驚失色，衛律兩手將他抱住，吩咐飛騎往召醫生。不消片刻醫生到來，蘇武暈絕地上血流不止。醫生就地上開挖一坑下置慍火，將蘇武反麵放在坑上，令人以足踏背使之出血。然後將藥敷住傷口。也是蘇武命不該死，醫治半日漸有氣息，
單於敬重蘇武節操，早晚遣人來營問候，隻將張勝一人收係在獄。不久蘇武傷痕漸漸平複，單於屢次遣人勸降，蘇武隻是不肯。
虞常被判定死罪，到了行刑之日，衛律便想借此威嚇蘇武，於是排齊兵隊請到蘇武，又從獄中提出張勝、虞常。衛律先將虞常斬首，複向張勝說道：“漢使張勝謀殺單於近臣，罪亦當死，如肯投降尚可宥免！”說完即舉劍欲砍張勝。張勝連忙自稱願降。衛律回顧蘇武道：“副使有罪君應連坐。”蘇武正色道：“本未同謀，又非親屬，何故連坐？”衛律將劍指定蘇武，蘇武依然不動。衛律見蘇武全不畏死嚇他無用，便又軟說道：“蘇先生何必固執。想我當年也是漢朝使者，因事亡入匈奴，不想受到單於恩寵，不僅封王，而且擁有數萬民眾，牛馬牲口數不勝數。如果蘇先生今日肯降，明日也會如我一般富貴。否則白白拿身體去做野草的肥料，有誰會記得你呢？”
蘇武仍是毫無反應。衛律急了，繼續拋出誘降禮包道：“先生今日若降，我願與你結為兄弟。如果不聽我的忠告，那麽以後想再見我可沒那麽容易了。”
聽衛律越說越不著調，蘇武忍不住罵道：“你真是枉為人臣。漢家何曾薄待於你，你竟然忍心背棄君父。像你這樣甘作胡虜之臣的貨，我見你做什麽呢？今天我肯定不會投降，還是請你殺了我吧。”
衛律一聽羞愧不已，隻好回報單於。單於聽後更加欽佩蘇武，越發想使其降順。
於是單於就想折磨蘇武，使其難以忍受不得不降。於是遣人將蘇武安置於北海上的無人之處，使其牧養羝羊並且說道：“須是羝羊生子方得放歸。”羝係牡羊向不產子。又將官屬常惠等分別安置他處，使之不得相見。
蘇武於是一手執使節，一手揮羊鞭，在這個人跡罕至的苦寒之地當起了牧羊人。
蘇武在北海沒有人供應糧食，隻能自己動手豐衣足食。他很快掌握了一些魯濱遜的技能，比如學會了挖掘田鼠窩，從中發現被它們搜集的果實。
為了提示自己不忘初心牢記使命，蘇武無論起居手裏都緊握著使節。時間長了，使節上麵的犛牛毛都掉光了，蘇武仍不肯放下。
不知不覺過了五六遍寒暑，蘇武心想自己可能就要老死此處無望生還了。
誰知一日遠遠望見一大隊人馬簇擁而來，蘇武久不見人，今得相逢，不問是胡是漢心中都覺歡喜。及至走近，乃是單於之弟於靬王，他聽說北海禽獸甚多，於是率眾前來射獵。見了蘇武，知道他是漢使不降者。蘇武雖然麵上難掩蒼老，但是眼神清澈，眉宇間透著一股執拗。蘇武平淡地跟他講了這些年自己的經曆，還讓於靬王看了看那個光禿禿的使節。於靬王敬其忠義心生憐憫。於是就張起氈帳駐在北海之上，日常領眾四出射獵。蘇武相聚日久彼此熟悉，閑時便替他們矯正弓弩，修理種種獵具。於靬王見其甚有才藝愈加愛重，便供給其衣食，蘇武這才脫下身上破舊衣服換上新衣，棄卻野鼠草實來食膻肉酪漿。
光陰迅速，又過了三年餘，於靬王忽得一病自知不起，他怕自己死後無人供給蘇武，便撥出許多牛羊用具等賜與蘇武。於靬王不久身死，他部下果然移居他處，蘇武依然剩得一人，鄰近北海的丁靈人聽說蘇武牲畜眾多，便率眾前來偷盜一空。蘇武的生活又複窮困。
武帝探聞蘇武消息後，遂命李廣利領兵三萬往擊匈奴。又召騎都尉李陵隨軍征進。李陵字少卿，乃李廣之孫，其父李當戶早死，遺腹生陵。少為侍中建章監，善騎射，愛人下士，眾皆稱之。武帝以為有李廣之風，曾使他帶領八百騎深入匈奴二千餘裏，不見胡騎而回，武帝拜為騎都尉。這次武帝召見李陵於武台，命他為李廣利押送輜重。李陵叩頭自請道：“臣所領兵隊皆荊楚勇士，力能扼虎，射必命中，願得一隊以分單於兵力，不使專與貳師對敵。”武帝道：“你莫非不願為人屬下，但是我發兵已多，並無馬隊與你。”李陵道：“不用馬隊，臣願以少擊眾，自率所部步兵五千人直入單於之庭。”武帝見其膽勇過人也就依允，於是另遣他將押送輜重隨同李廣利出發。
李廣利領兵由酒泉出塞，擊右賢王於天山，斬首萬餘級，奏凱而回。右賢王不甘失敗，自去招集大隊來追廣利。廣利行至半途即被胡騎追及，四麵圍住。李廣利率眾左衝右突不能得出。又兼軍中糧食已盡，匈奴四麵急攻，士卒遠來饑困抵敵不住，死傷十之六七。正在危急之際，假司馬趙充國獨率壯士百餘人，披甲操戈首先突圍，但見胡騎密布有如蜂屯蟻聚，充國大呼陷陣，向矛戟林中橫衝直撞，如人無人之境。胡兵擋著便死隻得退避，充國殺開一條血路衝出圈外。廣利趁勢麾兵隨後殺出。這場惡戰，充國身受二十餘創幸得不死。廣利回都奏報，有詔召見充國，武帝驗視傷痕血跡未幹，禁不住慨歎多時，當即拜為中郎。
卻說李陵率同步卒五千人出遮虜障，直至東浚稽山，一路未遇胡兵，正待班師，忽報單於大隊人馬約有三萬到來。李陵就兩山之間結下營盤，外用大車環繞，以防敵兵衝突。自率士卒出營排成陣勢。單於望見漢兵甚少，指揮胡騎來撲漢營。李陵堅守不動，等到敵兵將近時，隻聽得一聲鼓響，漢軍中千弩齊發，箭如飛蝗一般，前隊胡兵應弦而倒，後麵立腳不住，一齊退走上山，李陵率眾掩殺一陣，胡兵死者數千人。
且鞮侯單於見戰不過李陵，急遣人要求左右賢王發兵助戰。左右賢王立即即發兵到來，一共八萬餘騎。
李陵見胡騎眾多勢難相持，於是且戰且走向南而行。單於率眾從後追趕，漢兵行了數日到一山穀中，胡兵趕到，漢兵奮勇抵敵各有死傷。李陵傳令士卒受三傷者載以車輦，受兩傷者推運車輛，受一傷者持兵戰鬥，彼此苦戰。至夜俱各歇息，李陵回營對部下道：“吾軍鼓聲不起是何何故？莫非軍中藏有婦女？”遂親自查搜，果在大車之中搜出許多婦女。李陵究問來由，乃是關東盜賊妻女發遣到邊，邊軍占據為妻，此次出征隨帶同行。今被李陵搜得，一劍一個盡行斬首。士卒見了大驚失色，但因私帶婦女違犯軍令，自己不遭責罰已是便宜，誰敢開口攔阻，隻有暗自痛惜，各將屍首掩埋。
到了次日又與匈奴交戰，漢兵人人死心塌地勇氣百倍，陣斬敵首三千餘級。匈奴大敗回報單於，單於自恃兵多尚不肯舍，仍然催兵追趕。
李陵殺敗追騎，引兵向東南而行，行經四五日到了一個大湖，湖中遍是葭葦。時值隆冬北風大作，單於令部下順風放火欲燒漢兵。李陵教兵士放火先燒免得延燒。一路行過大湖南至山下。單於引兵占住山上來攻漢兵。李陵望見單於親在山上督戰，下令張起連弩齊向單於射去。單於膽怯退下山來，召集大臣商議道：“這是漢朝精兵連戰不疲，日夕引我南下，莫非另有埋伏不成？”於是決定商議退兵。
忽報漢軍有人前來投降。原來軍侯管敢被校尉笞責，竟去投降匈奴，報稱漢兵並無後援，矢也將盡，隻有李將軍麾下及校尉韓延年部曲八百人。韓延年潁川人，即韓千秋之子。此次隨李陵出征，現為校尉。
單於聽後心中大喜，於是盡起兵隊隨後急攻。又遣精兵繞道至漢兵之前斷其去路，口中大呼道：“李陵、韓延年速降！”漢兵被困穀中，胡兵立在山上，四麵圍射箭如雨下。漢兵五十萬箭一概射盡。檢點士卒尚有三千餘人，惟手中各剩空弓如何拒敵？索性砍破車輪，截取車軸充作兵器。胡騎上山擲石，又堵住前麵穀口，漢兵多被擊死。
此時天色漸晚，兩軍休戰，各進晚餐。李陵出營四望胡兵，隻見漫山遍野安下營寨。李陵見了不覺心驚，自料難以逃脫，尋思良久仍回營中。左右不敢動問。但聽李陵長歎一聲說道：“兵敗死矣。”遂命砍斷旌旗並所攜珍寶，就地上掘一大坑掩埋。李陵對將吏歎道：“每人再得數十箭便可脫身，今手無兵器如何戰鬥，與其束手待縛。不如各尋生路四散逃走，僥幸得脫尚可歸報天子。”說完便傳令兵士每人攜帶幹糧二升，冰一片，各自逃生。到得夜半，李陵下令鳴鼓集隊，鼓聲忽然不響。李陵與韓延年一馬當先殺條血路，兵士跟隨出得穀中。胡騎數千追至，將李陵、韓延年圍住，部下士卒早被衝散。韓延年血戰而亡，李陵回顧部下隻有十餘人，不由向南泣說道：“無麵目見陛下了！”說罷竟下馬投降匈奴。錯了，錯了！如何對得住韓延年？
兵士尚有四百餘人逃脫，將戰敗情形告知邊吏。邊吏飛報武帝。武帝以為李陵戰死，過了一時方知李陵投降。武帝大怒，召到陳步樂責問。陳步樂恐懼自殺，武帝遂將李陵之母及妻子囚係保宮。
文武百官都罵李陵，漢武帝問太史令司馬遷如何處置李陵。司馬遷說：
“李陵提步卒不滿五千，當匈奴億萬之眾，轉戰千裏矢盡援絕，士卒猶爭先死敵。今雖身陷胡中，所立戰功也足表彰於天下。所以不死者，可能是等候機會立功報漢。”，武帝心想，我命李廣利統領大兵出征，使李陵為其援助，李陵偏欲自己逞功，以致兵敗身降。於是勃然變色，命將司馬遷交與廷尉辦罪。廷尉奉命議定司馬遷罪名，說是應處宮刑。司馬遷竟被李陵連累遭刑，真是冤枉。
很久以後，武帝悔悟到李陵是無救援所致，說：“李陵出塞之時，本來詔令強弩都尉接應，隻因受了這奸詐老將奏書的影響又改變了詔令，才使得李陵全軍覆沒。”於是派使者慰問賞賜了李陵的殘部。李陵在匈奴一年後，武帝派因杅將軍公孫敖帶兵深入匈奴境內接李陵。
公孫敖無功而返，但言捕得胡虜，供稱李陵見寵匈奴，教他備兵禦漢，所以臣不敢深入，隻好還軍。武帝本追憶李陵，悔不該輕遣出塞，聽了公孫敖的話信以為實，不覺大怒，遂命將李陵老母妻子一律處斬。李陵雖然有罪，但陵母及妻子實不該處死。
又過一年，且鞮侯單於病死，子狐鹿姑繼立，遣使至漢廷報喪。武帝派人往吊，李陵聽說家屬被戮，免不得詰問漢使。漢使即將公孫敖所言備述一遍，李陵作色道：“這是李緒所為，與我何幹。”言下恨恨不已。
使者將李陵之語回報武帝，武帝才知其誤，但悔已無及。李緒也是漢人，官為塞外都尉，防守邊城。匈奴來攻，李緒開城出降，單於待以客禮，常坐李陵之上。李陵自聞漢使之言，痛恨李緒教胡備兵累及老母嬌妻，便乘李緒無備把他刺死。單於之母大閼氏聽說後大怒，欲殺李陵。單於心愛李陵勇敢善戰，將其藏匿北方，待大閼氏死後才回。單於將自己的女兒嫁給李陵，立之為右校王，從此與衛律一心事胡。衛律居內，李陵居外，都好似匈奴的夾輔功臣了。後人有詩歎道：
孤軍轉戰奮餘威，
矢盡援窮竟被圍；
可惜臨危偏不死，
亡家叛國怎辭譏？
忽報路充國自匈奴歸來詣闕求見。當下召入問明情形。充國行過禮後，方將匈奴事實約略上陳。
原來匈奴兒單於在位三年病死，有子尚幼不能嗣位，國人立他季父右賢王呴犁湖為單於。才及一年呴犁湖又死，弟弟且鞮侯繼立。且鞮侯恐漢朝發兵進攻，乃自說道：“漢天子是我丈人，我乃兒子怎敢敵漢？”說著即將漢使路充國等一律釋回，並使人護送且奉書求和。武帝聞言甚喜，也盡釋所留匈奴使者，遣中郎將蘇武持節送歸，並以財幣厚贈單於答其善意。
蘇武字子卿，即前平陵侯蘇建之子。蘇建自與趙信征胡戰敗，贖為庶人，後複為代郡太守，病卒任所。蘇武兄弟三人，自少皆以父蔭為郎，後兄蘇嘉為奉車都尉，弟蘇賢為騎都尉，而蘇武為栘中廄監。時李廣之孫李陵為建章監，與蘇武同為侍中，二人交好甚密。蘇武此次受命出使吉凶難卜，特與母妻親友訣別，李陵聞知也來送別，並作詩三首贈行。
蘇武與副使中郎將張勝、屬吏常惠及士卒百餘人離了長安一路北去，到得匈奴入見單於，傳達武帝言語，送還匈奴使者，並將財幣送與且疑侯單於。單於本無意與漢和好，隻因初次即位人心未定、又因漢使不肯投降，留在國中無益於事，不如放還，借此為緩兵之計。今見武帝贈以厚禮愈加驕傲，正欲遣人發送蘇武歸國，誰知忽然發生事故。
原來衛律素與李延年交好，李延年薦於武帝，武帝遣其出使匈奴。適值李延年犯罪被囚，衛律不敢回國便降匈奴。單於一得衛律格外寵任，封他為丁靈王。其部下虞常從衛律出使，不願降胡，密與緱王商議，二人計議許久，苦於未得機會。此次蘇武到來，虞常前在中國時與副使張勝相識，便與張勝密說道：“聞漢天子甚怨衛律，我能為漢殺之，吾母與弟在漢望得天子賞賜。張勝立即允許，並以財物贈與虞常。虞常自去預備。
一個多月後，單於出外打獵，隻有閼氏和單於子弟在。虞常等七十餘人起事前，一人趁夜逃跑，揭發了他們的計劃。單於子弟與他們交戰，緱王戰死，虞常受擒。且鞮侯聞變馳歸，令衛律嚴訊此案。張勝詳告蘇武，蘇武愕然道：“事已至此怎能免累？我若對簿虜庭豈非辱國？不如早圖自盡罷！”說罷拔出佩刀便欲自殺。張勝、常惠連忙上前攔阻，蘇武被眾人勸住不得動手，心裏早決計安排一死。張勝等心中惴惴各懷鬼胎，但望虞常不將此事供出，便可保全無事。
誰知虞常被衛律嚴刑拷打痛苦難忍，隻得據實供出。衛律將供詞告知單於，單於召集貴臣議殺漢使。左伊秩訾勸阻道：“彼若謀害單於，也不過罪及死刑，今尚不至此，不如赦他一死迫令投降。”單於便召漢使並其從人到來聽命。蘇武聞召昂然前往；張勝、常惠也氣憤地跟隨而來。
衛律便傳單於之命立迫投降。蘇武聽了對常惠等說：“我若投降匈奴屈節辱命，以後有何麵目歸漢。”說罷便拔刀自刺。在會眾人大驚失色，衛律兩手將他抱住，吩咐飛騎往召醫生。不消片刻醫生到來，蘇武暈絕地上血流不止。醫生就地上開挖一坑下置慍火，將蘇武反麵放在坑上，令人以足踏背使之出血。然後將藥敷住傷口。也是蘇武命不該死，醫治半日漸有氣息，
單於敬重蘇武節操，早晚遣人來營問候，隻將張勝一人收係在獄。不久蘇武傷痕漸漸平複，單於屢次遣人勸降，蘇武隻是不肯。
虞常被判定死罪，到了行刑之日，衛律便想借此威嚇蘇武，於是排齊兵隊請到蘇武，又從獄中提出張勝、虞常。衛律先將虞常斬首，複向張勝說道：“漢使張勝謀殺單於近臣，罪亦當死，如肯投降尚可宥免！”說完即舉劍欲砍張勝。張勝連忙自稱願降。衛律回顧蘇武道：“副使有罪君應連坐。”蘇武正色道：“本未同謀，又非親屬，何故連坐？”衛律將劍指定蘇武，蘇武依然不動。衛律見蘇武全不畏死嚇他無用，便又軟說道：“蘇先生何必固執。想我當年也是漢朝使者，因事亡入匈奴，不想受到單於恩寵，不僅封王，而且擁有數萬民眾，牛馬牲口數不勝數。如果蘇先生今日肯降，明日也會如我一般富貴。否則白白拿身體去做野草的肥料，有誰會記得你呢？”
蘇武仍是毫無反應。衛律急了，繼續拋出誘降禮包道：“先生今日若降，我願與你結為兄弟。如果不聽我的忠告，那麽以後想再見我可沒那麽容易了。”
聽衛律越說越不著調，蘇武忍不住罵道：“你真是枉為人臣。漢家何曾薄待於你，你竟然忍心背棄君父。像你這樣甘作胡虜之臣的貨，我見你做什麽呢？今天我肯定不會投降，還是請你殺了我吧。”
衛律一聽羞愧不已，隻好回報單於。單於聽後更加欽佩蘇武，越發想使其降順。
於是單於就想折磨蘇武，使其難以忍受不得不降。於是遣人將蘇武安置於北海上的無人之處，使其牧養羝羊並且說道：“須是羝羊生子方得放歸。”羝係牡羊向不產子。又將官屬常惠等分別安置他處，使之不得相見。
蘇武於是一手執使節，一手揮羊鞭，在這個人跡罕至的苦寒之地當起了牧羊人。
蘇武在北海沒有人供應糧食，隻能自己動手豐衣足食。他很快掌握了一些魯濱遜的技能，比如學會了挖掘田鼠窩，從中發現被它們搜集的果實。
為了提示自己不忘初心牢記使命，蘇武無論起居手裏都緊握著使節。時間長了，使節上麵的犛牛毛都掉光了，蘇武仍不肯放下。
不知不覺過了五六遍寒暑，蘇武心想自己可能就要老死此處無望生還了。
誰知一日遠遠望見一大隊人馬簇擁而來，蘇武久不見人，今得相逢，不問是胡是漢心中都覺歡喜。及至走近，乃是單於之弟於靬王，他聽說北海禽獸甚多，於是率眾前來射獵。見了蘇武，知道他是漢使不降者。蘇武雖然麵上難掩蒼老，但是眼神清澈，眉宇間透著一股執拗。蘇武平淡地跟他講了這些年自己的經曆，還讓於靬王看了看那個光禿禿的使節。於靬王敬其忠義心生憐憫。於是就張起氈帳駐在北海之上，日常領眾四出射獵。蘇武相聚日久彼此熟悉，閑時便替他們矯正弓弩，修理種種獵具。於靬王見其甚有才藝愈加愛重，便供給其衣食，蘇武這才脫下身上破舊衣服換上新衣，棄卻野鼠草實來食膻肉酪漿。
光陰迅速，又過了三年餘，於靬王忽得一病自知不起，他怕自己死後無人供給蘇武，便撥出許多牛羊用具等賜與蘇武。於靬王不久身死，他部下果然移居他處，蘇武依然剩得一人，鄰近北海的丁靈人聽說蘇武牲畜眾多，便率眾前來偷盜一空。蘇武的生活又複窮困。
武帝探聞蘇武消息後，遂命李廣利領兵三萬往擊匈奴。又召騎都尉李陵隨軍征進。李陵字少卿，乃李廣之孫，其父李當戶早死，遺腹生陵。少為侍中建章監，善騎射，愛人下士，眾皆稱之。武帝以為有李廣之風，曾使他帶領八百騎深入匈奴二千餘裏，不見胡騎而回，武帝拜為騎都尉。這次武帝召見李陵於武台，命他為李廣利押送輜重。李陵叩頭自請道：“臣所領兵隊皆荊楚勇士，力能扼虎，射必命中，願得一隊以分單於兵力，不使專與貳師對敵。”武帝道：“你莫非不願為人屬下，但是我發兵已多，並無馬隊與你。”李陵道：“不用馬隊，臣願以少擊眾，自率所部步兵五千人直入單於之庭。”武帝見其膽勇過人也就依允，於是另遣他將押送輜重隨同李廣利出發。
李廣利領兵由酒泉出塞，擊右賢王於天山，斬首萬餘級，奏凱而回。右賢王不甘失敗，自去招集大隊來追廣利。廣利行至半途即被胡騎追及，四麵圍住。李廣利率眾左衝右突不能得出。又兼軍中糧食已盡，匈奴四麵急攻，士卒遠來饑困抵敵不住，死傷十之六七。正在危急之際，假司馬趙充國獨率壯士百餘人，披甲操戈首先突圍，但見胡騎密布有如蜂屯蟻聚，充國大呼陷陣，向矛戟林中橫衝直撞，如人無人之境。胡兵擋著便死隻得退避，充國殺開一條血路衝出圈外。廣利趁勢麾兵隨後殺出。這場惡戰，充國身受二十餘創幸得不死。廣利回都奏報，有詔召見充國，武帝驗視傷痕血跡未幹，禁不住慨歎多時，當即拜為中郎。
卻說李陵率同步卒五千人出遮虜障，直至東浚稽山，一路未遇胡兵，正待班師，忽報單於大隊人馬約有三萬到來。李陵就兩山之間結下營盤，外用大車環繞，以防敵兵衝突。自率士卒出營排成陣勢。單於望見漢兵甚少，指揮胡騎來撲漢營。李陵堅守不動，等到敵兵將近時，隻聽得一聲鼓響，漢軍中千弩齊發，箭如飛蝗一般，前隊胡兵應弦而倒，後麵立腳不住，一齊退走上山，李陵率眾掩殺一陣，胡兵死者數千人。
且鞮侯單於見戰不過李陵，急遣人要求左右賢王發兵助戰。左右賢王立即即發兵到來，一共八萬餘騎。
李陵見胡騎眾多勢難相持，於是且戰且走向南而行。單於率眾從後追趕，漢兵行了數日到一山穀中，胡兵趕到，漢兵奮勇抵敵各有死傷。李陵傳令士卒受三傷者載以車輦，受兩傷者推運車輛，受一傷者持兵戰鬥，彼此苦戰。至夜俱各歇息，李陵回營對部下道：“吾軍鼓聲不起是何何故？莫非軍中藏有婦女？”遂親自查搜，果在大車之中搜出許多婦女。李陵究問來由，乃是關東盜賊妻女發遣到邊，邊軍占據為妻，此次出征隨帶同行。今被李陵搜得，一劍一個盡行斬首。士卒見了大驚失色，但因私帶婦女違犯軍令，自己不遭責罰已是便宜，誰敢開口攔阻，隻有暗自痛惜，各將屍首掩埋。
到了次日又與匈奴交戰，漢兵人人死心塌地勇氣百倍，陣斬敵首三千餘級。匈奴大敗回報單於，單於自恃兵多尚不肯舍，仍然催兵追趕。
李陵殺敗追騎，引兵向東南而行，行經四五日到了一個大湖，湖中遍是葭葦。時值隆冬北風大作，單於令部下順風放火欲燒漢兵。李陵教兵士放火先燒免得延燒。一路行過大湖南至山下。單於引兵占住山上來攻漢兵。李陵望見單於親在山上督戰，下令張起連弩齊向單於射去。單於膽怯退下山來，召集大臣商議道：“這是漢朝精兵連戰不疲，日夕引我南下，莫非另有埋伏不成？”於是決定商議退兵。
忽報漢軍有人前來投降。原來軍侯管敢被校尉笞責，竟去投降匈奴，報稱漢兵並無後援，矢也將盡，隻有李將軍麾下及校尉韓延年部曲八百人。韓延年潁川人，即韓千秋之子。此次隨李陵出征，現為校尉。
單於聽後心中大喜，於是盡起兵隊隨後急攻。又遣精兵繞道至漢兵之前斷其去路，口中大呼道：“李陵、韓延年速降！”漢兵被困穀中，胡兵立在山上，四麵圍射箭如雨下。漢兵五十萬箭一概射盡。檢點士卒尚有三千餘人，惟手中各剩空弓如何拒敵？索性砍破車輪，截取車軸充作兵器。胡騎上山擲石，又堵住前麵穀口，漢兵多被擊死。
此時天色漸晚，兩軍休戰，各進晚餐。李陵出營四望胡兵，隻見漫山遍野安下營寨。李陵見了不覺心驚，自料難以逃脫，尋思良久仍回營中。左右不敢動問。但聽李陵長歎一聲說道：“兵敗死矣。”遂命砍斷旌旗並所攜珍寶，就地上掘一大坑掩埋。李陵對將吏歎道：“每人再得數十箭便可脫身，今手無兵器如何戰鬥，與其束手待縛。不如各尋生路四散逃走，僥幸得脫尚可歸報天子。”說完便傳令兵士每人攜帶幹糧二升，冰一片，各自逃生。到得夜半，李陵下令鳴鼓集隊，鼓聲忽然不響。李陵與韓延年一馬當先殺條血路，兵士跟隨出得穀中。胡騎數千追至，將李陵、韓延年圍住，部下士卒早被衝散。韓延年血戰而亡，李陵回顧部下隻有十餘人，不由向南泣說道：“無麵目見陛下了！”說罷竟下馬投降匈奴。錯了，錯了！如何對得住韓延年？
兵士尚有四百餘人逃脫，將戰敗情形告知邊吏。邊吏飛報武帝。武帝以為李陵戰死，過了一時方知李陵投降。武帝大怒，召到陳步樂責問。陳步樂恐懼自殺，武帝遂將李陵之母及妻子囚係保宮。
文武百官都罵李陵，漢武帝問太史令司馬遷如何處置李陵。司馬遷說：
“李陵提步卒不滿五千，當匈奴億萬之眾，轉戰千裏矢盡援絕，士卒猶爭先死敵。今雖身陷胡中，所立戰功也足表彰於天下。所以不死者，可能是等候機會立功報漢。”，武帝心想，我命李廣利統領大兵出征，使李陵為其援助，李陵偏欲自己逞功，以致兵敗身降。於是勃然變色，命將司馬遷交與廷尉辦罪。廷尉奉命議定司馬遷罪名，說是應處宮刑。司馬遷竟被李陵連累遭刑，真是冤枉。
很久以後，武帝悔悟到李陵是無救援所致，說：“李陵出塞之時，本來詔令強弩都尉接應，隻因受了這奸詐老將奏書的影響又改變了詔令，才使得李陵全軍覆沒。”於是派使者慰問賞賜了李陵的殘部。李陵在匈奴一年後，武帝派因杅將軍公孫敖帶兵深入匈奴境內接李陵。
公孫敖無功而返，但言捕得胡虜，供稱李陵見寵匈奴，教他備兵禦漢，所以臣不敢深入，隻好還軍。武帝本追憶李陵，悔不該輕遣出塞，聽了公孫敖的話信以為實，不覺大怒，遂命將李陵老母妻子一律處斬。李陵雖然有罪，但陵母及妻子實不該處死。
又過一年，且鞮侯單於病死，子狐鹿姑繼立，遣使至漢廷報喪。武帝派人往吊，李陵聽說家屬被戮，免不得詰問漢使。漢使即將公孫敖所言備述一遍，李陵作色道：“這是李緒所為，與我何幹。”言下恨恨不已。
使者將李陵之語回報武帝，武帝才知其誤，但悔已無及。李緒也是漢人，官為塞外都尉，防守邊城。匈奴來攻，李緒開城出降，單於待以客禮，常坐李陵之上。李陵自聞漢使之言，痛恨李緒教胡備兵累及老母嬌妻，便乘李緒無備把他刺死。單於之母大閼氏聽說後大怒，欲殺李陵。單於心愛李陵勇敢善戰，將其藏匿北方，待大閼氏死後才回。單於將自己的女兒嫁給李陵，立之為右校王，從此與衛律一心事胡。衛律居內，李陵居外，都好似匈奴的夾輔功臣了。後人有詩歎道：
孤軍轉戰奮餘威，
矢盡援窮竟被圍；
可惜臨危偏不死，
亡家叛國怎辭譏？