李陵以五千步兵孤军深入，出关以后在大漠行军一个月，扎营浚稽山，和匈奴单于相遇对峙。匈奴派出约三万骑兵围住李陵，见李陵所部人少，立刻发起冲锋，但李陵布阵有方、丝毫不乱，前队是长戟盾牌，后队是弓箭、强弩。先是和匈奴近战相搏，然后千弩俱发，把匈奴打退，还追杀数千人。
匈奴单于大惊，再召八万铁骑合众围攻。敌人十倍于己，且是骑兵，李陵的队伍抵不住了，一边打一边南撤。一路血战，在山谷、树林、山下等各种地形都曾激战，击杀敌军数千人。匈奴倚仗人多，有时一天要打几十仗，总是死伤众多。单于眼见大军连这点人都打不过，心里胆怯，疑心李陵有大军埋伏，准备撤军。就在这时，军候管敢因为被校尉所辱，忿恨投敌，把李陵没有后援粮矢且尽以及李陵的部队旗帜等情报都告知单于，匈奴于是全军压上，李陵力战难脱，南逃时，成安侯韩延年又战死，李陵自觉无颜见汉武帝，遂束手就擒。此时，距离边塞不过百里之地，所属五千，亡归四百。
汉武帝本欲李陵死战，得知李陵投敌，勃然大怒，问太史令司马迁应该如何处置。司马迁是李陵的朋友，知道李陵为人，说李陵转战千里，虽败犹荣，“彼之不死，宜欲得当以报汉也”，结果被盛怒之下的汉武帝处以腐刑。汉武帝后来也知李陵孤军无援，力有不逮，派公孙敖将四万步骑深入敌后营救。公孙敖无功而返，却说俘虏称李陵正在教匈奴练兵。汉武帝族诛李陵家室，事后才知那人不是李陵，而是降将李绪。李陵得知后大怒，派刺客将李绪杀死，以泄心头之恨。
李陵自知惭愧，本想亡归汉室再行效力，但公孙敖怕汉武帝责怪，敷衍搪塞，以致汉武帝盛怒之下，族诛李陵全家，使李陵后路被隔。李陵受命劝降苏武时，见苏武不降，甚是敬佩，说自己有负汉室，罪责通天。后来苏武回归，李陵告别，说自己本想戴罪立功，保全老母，“使得奋大辱之积志”，可惜全家被杀，为世人所恨，自己也无法再回去了。这些虽是旧事，只是把自己苦衷讲给苏武听听。后汉武帝死，辅政大臣霍光、上官桀都是李陵的旧时好友，派李陵的故人去招李陵。李陵说：“归易耳，丈夫不能再辱!”。最后终死匈奴。
