于是李陵要部下把旌旗都砍断，把珍宝埋藏在地下。又扼腕道：“再有几十支箭，足以逃跑了，可现在无武器再战，天一亮就只有束手待擒了。不如各作鸟兽散，还可能有脱身逃回去报告天子的人。”
李陵令将士们每人拿上二升干粮，一大块冰，约定在遮虏鄣会合。夜半时分，李陵等击鼓突围，但鼓声最终未响。
李陵与韩延年一同上马，十多名壮士和他们一道冲出。匈奴派出数千骑兵紧追，韩延年战死，李陵长叹：“我无脸面去见陛下呀！”只得向匈奴投降。他的部下四散逃命，成功逃到边塞的仅有四百余人。
李陵兵败之处离边塞只有百余里，边塞的官兵把情况报告到了汉朝廷，汉武帝料想李陵已战死，就把他母亲和妻子召来，要相面的人来看，却说他们脸无死丧之色。
后来才得知李陵已降匈奴，汉武帝因此大怒，责问陈步乐，陈步乐害怕被追责受刑，于是就自杀了。文武百官都骂李陵，汉武帝以李陵之事询问太史令司马迁的意见，司马迁为李陵辩解道：“李陵服侍母亲孝顺，对士卒讲信义，常奋不顾身以赴国家危难。他长期以来养成了国士之风。如今他一次战败，那些为保全身家性命的臣下便攻其一点而不计其余，实在令人痛心！况且李陵提兵不满五千，深入匈奴腹地，搏杀数万之师，敌人被打死打伤无数而自救不暇，又召集能射箭的百姓来一起围攻。他转战千里，矢尽道穷，战士们赤手空拳，顶着敌人的箭雨仍殊死搏斗奋勇杀敌，得到部下以死效命，就是古时的名将也不过如此。他虽身陷重围而战败，但他杀死杀伤敌人的战绩也足以传扬天下。他之所以不死，是想立功赎罪以报效朝廷。”
起初，汉武帝刘彻派李广利率领大军出征，只令李陵协助运输，后来李陵与匈奴单于主力战斗，李广利却少有战功。
天汉四年（前97年），汉武帝刘彻再发天下七科谪戍，及四方壮士，分道北征。贰师将军李广利，带领马兵六万，步兵七万，出发朔方，作为正路。强弩都尉路博德，率万余人为后应。游击将军韩说，领步兵三万人出五原，因杅将军公孙敖，领马兵万人，步兵三万人出雁门。各将奉命辞行，汉武帝独嘱公孙敖道：“李陵败没，或说他有志回来，亦未可知。汝能相机深入，迎陵还朝，便算不虚此行了！”
公孙敖遵命去迄，三路兵陆续出塞，即有匈奴侦骑，飞报且鞮侯单于。且鞮侯单于尽把老弱辎重，徙往余吾水北，自引精骑十万，屯驻水南。待至李广利兵到，交战数次，互有杀伤。李广利毫无便宜，且恐师老粮竭，便即班师。匈奴兵却随后追来，适值路博德引兵趋至，接应李广利，胡兵方才退回。李广利不愿再进，与路博德一同南归。游击将军韩说，到了塞外，不见胡人，也即折回。因杅将军公孙敖，出遇匈奴左贤王，与战不利，慌忙引还。自思无可报命，不如捏造谎言，复奏汉武帝。但言捕得胡虏，供称李陵见宠匈奴，教他备兵御汉，所以臣不敢深入，只好还军。你要逞刁，看你将来如何保全？汉武帝本追忆李陵，悔不该轻遣出塞，此次听了敖言，信为真情，立将陵母及妻，饬令骈诛。陵虽不能无罪，但李陵母及妻，实是公孙敖一人断送。陇西一带士人都以李陵不能死节而累及家族为耻。
然后汉武帝就认为司马迁之前为李陵求情是欺骗自己，是想诋毁李广利将军而为李陵说情，认为他犯了大罪，应该死刑，于是把他投入狱中。
当时汉律规定死刑可通过缴纳赎金或接受宫刑豁免。根据记载，当时太史令的月俸约为六百石，而五十万钱赎金相当于四个月工资（按当时物价折算）。但是司马迁一直致力写作，而且家里家产不足以支付赎金，且他为官清廉，无多余财产可动用，也没有什么朋友可以借钱帮助他。
司马迁真的不甘心就这样死去，在监狱里他回想在汉武帝元封元年（前110年）春天，汉武帝东巡渤海返回的路上，在泰山举行封禅大典。
父亲司马谈身为参与制定封禅礼仪官员，却因病留滞在周南，未能继续前行，更因此而心中愤懑，以致病情加重。奉使西南的司马迁在完成任务后，立即赶往泰山参加封禅大典，行到洛阳，却见到了命垂旦夕的父亲。
弥留之际的司马谈对司马迁说：“我们的祖先是周朝的太史。远在上古虞舜、夏禹时就取得过显赫的功名，主管天文工作。后来衰落了，难道要断送在我这里吗？你继为太史，就可以接续我们祖先的事业了。如今天子继承汉朝千年一统的大业，到泰山封禅，而我不得从行，这是命中注定的啊。我死以后，你一定会做太史；做了太史，你千万不要忘记我要编写的论着啊。况且孝，是从侍奉双亲开始的，中间经过事奉君主，最终能够在社会上立足，扬名于后世，光耀父母，这是孝中最主要的。天下称颂周公，是说他能够歌颂周文王、武王的功德，宣扬周、召的遗风，使人懂得周太王、王季的思想以及公刘的功业，以使始祖后稷受到尊崇。周幽王、厉王以后，王道衰落，礼乐损坏，孔子研究、整理旧有的文献典籍，振兴被废弃了的王道和礼乐。整理《诗》、《书》，着作《春秋》，直到今天，学者们仍以此为法则。从鲁哀公获麟到现在四百多年了，其间由于诸侯兼并混战，史书丢散、记载中断。如今汉朝兴起，海内统一，贤明的君主、忠义的臣子的事迹，我作为太史而不予评论记载，中断了国家的历史文献，对此我感到十分不安，你可要记在心里啊。”
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