汉武帝刘彻说：“你是耻于做下属吧！我调发了这么多的军队，没有马匹拨给你。”

李陵答道：“不需要给马匹，臣愿以少击多，只用五千步兵直捣单于王庭。”

汉武帝为他的勇气所感，便同意了，并令强驽都尉路博德领兵在中途迎候李陵的部队。

路博德以前担任过伏波将军，也羞于做李陵的后备，便上奏：“现在刚进秋季正值匈奴马肥之时，不可与之开战，臣希望留李陵等到春天，与他各率酒泉、张掖五千骑兵分别攻打东西浚稽山（今蒙古杭爱山脉东南段，一说为今图音河下游的“古尔班博格多山”，在戈壁阿尔泰山以北、杭爱山以南），必将获胜。”

汉武帝刘彻见奏大怒，怀疑是李陵后悔不想出兵，所以才指使路博德上书的，于是传诏给路博德说：“我想给李陵马匹，他却说什么“要以少击众”，现在匈奴侵入西河，速带你部赶往西河，去钩营阻挡敌军。”

汉武帝又传诏给李陵说：“应在九月发兵，应从遮虏障（今内蒙古额济纳旗东南，一说即居延塞）出塞，到东浚稽山南面龙勒水一带，徘徊以观敌情，如无所见，则沿着浞野侯（赵破奴）走过的路线抵受降城休整，将情况用快马回朝报告。你与路博德说了些什么？一并上书说清楚。”

天汉二年（前99年）九月，在汉武帝的催促下，李陵率领五千步兵从居延出发，向北行进三十天，于十月到浚稽山扎营。他将所经过的山川地形绘制成图，派手下骑兵陈步乐回朝禀报。陈步乐被召见，陈说李陵带兵有方，能“得（将）士死力”，汉武帝刘彻感到非常高兴，于是任陈步乐为郎官。

就在此时，李陵在浚稽山遭遇到了且鞮侯单于率领的主力，被匈奴三万多骑兵包围。李陵军驻扎在东西两浚稽山之间（有研究者认为其扎营处当在 “浚稽山”以北、杭爱山以南），以辎重车作为营垒，李陵领兵冲出营垒摆开队伍，前排持戟和盾，后排用弓和弩，下令道：“听到鼓声就进攻，听到鸣金就收兵。”匈奴见汉军人少，径直扑向汉军营垒。李陵挥师搏击，千弩齐发，匈奴兵应弦而倒。匈奴军败退上山，汉军追击，杀匈奴兵数千。且鞮侯单于大惊，召集左贤王、右贤王部八万多骑兵一起围攻李陵。李陵向南且战且走，几天后被困在一个山谷中。连日苦战，很多士卒都中箭受伤，三处受伤者便用车载，二处受伤者驾车，一创者坚持战斗。

李陵说：“我军士气稍稍削减，又难以振奋，是何原因？莫非是军中有女人么？”原来，军队出发时，有些被流放到边塞的“关东群盗”的妻子随军做了士兵们的妻子，大多被藏匿在车中。李陵把她们搜出来，全部杀死。第二天，汉军再战，果然斩得匈奴首级三千余级。汉军向东南方突围，沿着旧龙城道撤退，行进四五日，到达大泽芦苇之中。匈奴军在上风向纵火，李陵令将士放火烧出一块隔离带，才得以自救。汉军又退到一座山下，且鞮侯单于已占领了南面的山头，命他的儿子率骑兵向李陵发起攻击。汉军步兵在树林间与匈奴骑兵拼杀，又杀匈奴兵数千人，并发连弩射击且鞮侯单于，且鞮侯单于下山退走。

这天，李陵捕得俘虏，俘虏供出：“单于说：‘这是汉朝的精兵，久攻不能拿下，却日夜向南退走把我们引到塞边，会不会有伏兵呢？’而许多当户和君长都说：‘单于亲率数万骑兵攻打数千汉朝人，却不能把他们消灭，那以后将无法再调动边臣，将使汉朝越发轻视匈奴。务必在山谷间再度猛攻，还有四五十里才到平地，不能破敌，就退回来。’”这时，汉军处境更加险恶，与匈奴骑兵整日交战，多达数十回合，使匈奴兵死伤二千余人。

在李陵的顽强抵抗下，匈奴方面损失颇重，认为不能取胜，一度准备撤走。

恰逢李陵军中有一个叫管敢的军侯，因被校尉凌辱而逃出投降了匈奴。对且鞮侯单于说：“李陵军无后援，并且箭矢已尽，只有他麾下和成安侯（韩延年）手下各八百人排在阵前，分别以黄、白二色作旗帜，应当派精锐骑兵射杀旗手，即可破阵。”且鞮侯单于得到管敢，大喜，命骑兵合力攻打汉军，边打边喊：“李陵、韩延年快降！”接着挡住去路猛烈攻打李陵。李陵处在山谷底，匈奴军在山坡上从四面射箭，矢如雨下。汉军坚持南行，未等冲到鞮汗山，一天之中五十万支箭已全部射光，便丢弃战车而去。

当时，汉军还剩下三千多名士兵，赤手空拳的就斩断车辐当武器，军吏们也只有短刀。又被一座大山所阻折入峡谷。单于切断了他们的退路，在险要处放下垒石，很多汉军士卒被砸死，不能前进。

黄昏后，李陵换上便衣独步出营，拦住左右说：“不要跟着我，大丈夫一个人去捉单于就足够了！”过了很久，李陵才回来，叹息说：“兵败至此，只求一死！”有的军吏说：“将军威震匈奴，陛下不会让您死，以后可想别的办法回去，像浞野侯虽被匈奴俘获，但后来逃回去，天子仍以礼相待，何况对将军您呢！”李陵说：“你别说了，我不死，不是壮士。”

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