李陵怀疑是兵士耽于妇人之乐而丧失了战斗力。早在一个月前，刚出征时，便有兵士将关东盗贼的妻子抢来，藏在车里，用以安慰“寂寞的旅途”。时士气已衰，需要血的激励，所以李陵将这些女子找了出来，全部杀头。李陵斩杀妇人，与项羽破釜沉舟一样，都是要告诉将士们，想要财货妇人，就冲出去！

果然，士气迅速回升，第二日双方开战，李陵部斩杀了三千余匈奴。

但是，人数上巨大的劣势是不可弥补的。李陵军虽然又杀了数千匈奴兵，但自身伤亡也不小，而弓箭越来越少，于是且战且退。匈奴损失惨重，单于就有了疑虑——这支汉朝精兵战斗力强悍，我们久攻不下，一点点追着他们往南走，难懂他们只是一个诱饵，在前面有着大队的兵马潜伏，就等着我们入套？于是有了退意。匈奴将领倒没想这么多，他们劝道，我们几万人打人家几千人，却打不赢，以后恐怕再也无法叫周边部落臣服，而汉朝也会因此更加轻视我们！

两军相持数日，匈奴又损失两千多人。匈奴这次真的想退了。而其实李陵此时也是山穷水尽，矢尽粮绝。

本来，胜利就在眼前，谁承想这时出了一个叛徒管敢。管敢为校尉所辱，一气之下投降匈奴，把李陵率部外强中干的实情都说了。于是单于不顾一切地发动总攻。汉军的箭矢仍如飞蝗，箭矢不可再生，可是总有射尽的时候。且匈奴军处在高山，居高临下，占尽了地利，他们的箭矢之密，从天上往下看，就像是泼往山谷中汉军的黑水！汉军溃了，“南撤，未至鞮汗山，一日五十万矢皆尽”，如此，也就失去了最后的凭借。

此时的汉军只有三千人了，在没了强弩劲箭的优势之下，他们只能拿起短刀、车辐与匈奴兵肉搏，而他们身在峡谷，被匈奴前后堵住，再无退路！

站着的越来越少，倒下的越来越多，身边尽是狰狞死尸发出的恶臭，耳边尽是痛苦无告的呻吟。夕阳西下，李陵对着天边那一抹凄艳的血色，长叹说：“兵败，死矣！”已有了末路悲意。军吏劝道：“将军威震匈奴，天命不遂，后求道径还归，如浞野侯为虏所得，后亡还，天子客遇之，况于将军乎！”浞野侯就是赵破奴，他曾被匈奴人俘虏，后来逃回汉朝，受到武帝礼遇。军吏提到赵破奴，其实是要李陵投降。李陵知道他的意思，说：“公止！吾不死，非壮士也。”

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于是李陵“斩尽旌旗”，又将随身珍宝都埋了，慨叹说：“要是仍有几十支箭，我就可以脱身。现在无兵可以再战，明天我们只有受缚一途。所以大家四散逃了吧，各凭天命，定有能够逃出重围的人将我们的经历报告给天子。”

阴云蔽月，李陵与成安侯韩延年领着十几个人突出重围，后面跟着数千匈奴追兵。韩延年战死。李陵仰天长叹：“无面目报陛下。”遂降。

之后，武帝后悔没有及时救援李陵，说：“李陵出塞时，就应让强弩都尉去迎接。在朝廷下诏，才让老将路博德心生奸诈，使李陵军覆没。”于是派使者慰劳赏赐李陵军中逃回的士兵。