陵博戰攻之，千弩俱發，應弦而倒。虜還走上山，漢軍追擊，殺數千人。單于大驚，召左右地兵八萬餘騎攻陵。陵且戰且引，南行數日，抵山谷中。連戰士卒中，矢傷三創者載輦，兩創者將車，一創者持兵戰。陵曰：「吾士氣少衰而鼓不起者，何也？軍中豈有女子乎？」始軍出時，關東群盜妻子徙邊者隨軍為卒妻婦，大匿車中。陵搜得，皆劍斬之。明日復戰，斬首三千餘級。引兵東南，循故龍城道，行四五日，抵大澤葭葦中，虜從上風縱火，陵亦令軍中縱火以自救。南行至山下，單于在南山上，使其子將騎擊陵。陵軍步鬥樹木間，復殺數千人，因發連弩射單于，單于下走。是日補得虜言：「單于曰：『此漢精兵，擊之不能下，日夜引吾南近塞，得毋有伏兵乎？』諸當戶君長皆言；『單于自將數萬騎擊漢數千人不能滅，後無以復使邊臣，令漢益輕匈奴。』復力戰山谷間，尚四五十里得平地，不能破，乃還。」是時陵軍益急，匈奴騎多，戰一日數十合，復傷殺虜二千餘人。虜不利，欲去，會陵軍候管敢為校尉所辱，亡降匈奴，具言：「陵軍無後救，射矢且盡，獨將軍麾下及成安侯校各八百人為前行，以黃與白為幟，當使精騎射之即破矣。」單于得敢大喜，使騎並攻漢軍，疾呼曰：「李陵、韓延年趣降！」遂遮道急攻陵。陵居谷中，虜在山上，四面射矢如雨下。漢軍南行，未至鞮汗山，一日五十萬矢皆盡，即棄車去。士尚三千餘人，徒斬車輻而持之，軍吏持尺刀，抵山入?谷，單于遮其後，乘隅下壘石，士卒多死，不得行。昏後，陵便衣獨步出營，止左右：「毋隨我，丈夫一取單于耳！」良久，陵還太息曰：「兵敗，死矣！」軍吏或曰：「將軍威振匈奴，天命不遂，後求道徑還歸，如浞野侯為虜所得，後亡還，天子客遇之，況於將軍乎！」陵曰：「公止！吾不死，非壯士也。」於是盡斬旌旗及珍寶埋地中。陵歎曰：「復得數十矢，足以脫矣。今無兵復戰，天明坐受縛矣！各鳥獸散，猶有得脫歸報天子者。」令軍士人持二升糒，一半冰，期至遮虜鄣者相待。夜半時，擊鼓起士，鼓不鳴。陵與韓延年具上馬，壯士從者十餘人。虜騎數千追之，韓延年戰死。陵曰：「無面目報陛下！」遂降。軍人分散脫至塞者四百餘人。

陵敗處去塞百餘里，邊塞以聞。上欲陵死戰，召陵母及婦，使相者視之，無死喪色。後聞陵降，上怒甚，責問陳步樂，步樂自殺。群臣皆罪陵，上以問太史令司馬遷，遷盛言：「陵事親孝，與士信，常奮不顧身以殉國家之急。其素所蓄積也，有國士之風。今舉事一不幸，全軀保妻子之臣隨而媒蘗其短，誠可痛也！且陵提步卒不滿五千，深輮戎馬之地，抑數萬之師，虜救死扶傷不暇，悉舉引弓之民共攻圍之。轉鬥千里，矢盡道窮，士張空拳，冒白刃，北首爭死敵，得人之死力，雖古名將不過也。身雖陷敗，然其所摧敗亦足暴於天下，彼之不死，宜欲得當以報漢也。」初，上遣貳師大軍出，纔令陵為助兵，及陵與單于相值，而貳師功少。上以遷誣罔，欲沮貳師，為陵游說，下遷腐刑。久之，上悔陵無救（援），曰：「陵當發出塞，乃詔強弩都尉令迎軍，坐預詔之，得令老將生奸詐。」乃遣使勞賜陵餘軍得脫者。陵在匈奴歲餘，上遣因杅將軍公孫敖將兵深入匈奴迎陵。敖軍無功還，曰：「捕得生口，言李陵教單于為兵以備漢軍，故臣無所得。」上聞，於是族陵家，母弟妻子皆伏誅。隴西士大夫以李氏為愧。其後，漢遣使使匈奴，陵謂使者曰：「吾為漢將步卒五千人橫行匈奴，以亡救而敗，何負於漢而誅吾家？」使者曰：「漢聞李少卿教匈奴為兵。」陵曰：「乃李緒，非我也。」李緒本漢塞外都尉，居奚侯城，匈奴攻之，緒降，而單于客遇緒，常坐陵上。陵痛其家以李緒而誅，使人刺殺緒。大閼氏（單于母，閼氏音煙支）欲殺陵，單于匿之北方，大閼氏死，乃還。

單于壯陵，以女妻之，立為右校王，衛律為丁靈王，皆貴用事。衛律者，父本長水胡人，律生長漢，善協律都尉李延年，延年薦言律使匈奴。使還，會延年家收，律懼并誅，亡還降匈奴。匈奴愛之，常在單于左右。陵居外，有大事乃入議。昭帝立，大將軍霍光、左將軍上官桀輔政，素與陵善，遣陵故人隴西任立政等三人俱至匈奴招陵。立政等至，單于置酒賜漢使者，李陵、衛律皆侍坐。立政等見陵，未得私語，即目視陵，而數數自循其刀環，握其足，陰諭之，言可還歸漢也。後陵、律持牛酒勞漢使博飲，兩人皆胡服椎結。立政大言曰：「漢已大赦，中國安樂，主上富於春秋，霍子孟、上官少叔用事。」以此言微動之。陵墨不應，孰視而自循其髮，答曰：「吾已胡服矣！」有頃，律起更衣（如廁），立政曰：「咄，少卿良苦！霍子孟、上官少叔謝女。」陵曰：「霍與上官無恙乎？」立政曰：「請少卿來歸故鄉，毋憂富貴。」陵字（動詞，呼其字）立政曰：「少公，歸易耳，恐再辱，奈何！」語未卒，衛律還，頗聞餘語，曰：「李少卿賢者，不獨居一國。范蠡遍遊天下，由余去戎入秦，今何語之親也！」因罷去。立政隨謂陵曰：「亦有意乎？」陵曰：「丈夫不能再辱！」陵在匈奴二十餘年，元平元年（西元玆前七十四年）病死。