原来，军队出发时，有些被流放到边塞的关东盗贼妻女随军作了士兵们的妻子，大多藏匿在车中。李陵命人将她们搜出来用剑杀掉，一时间士兵们皆大受震撼。
第二天再战，李陵率军拼死作战，竟然又斩首匈奴三千多。趁着匈奴军队阵型散乱，李陵乘胜率领军队向东南方向突围，沿着故龙城道撤退，然而一连走了四五天，非但没能摆脱匈奴追兵，反而又被大片沼泽芦苇挡住了去路。
匈奴人见状，便在上风头纵火，想要将汉军烧死在芦苇荡中，李陵在将士们陷入慌乱之际，也令将士们放火烧出一块空地阻火，这才得以自救。汉军趁着大火浓烟，又退到了一座山下，单于则在南面山头上，命他儿子率骑兵向李陵发起攻击。
李陵的步兵在树林间与匈奴骑兵拼杀，又杀匈奴兵数千，并发连驽射向单于，单于下山退走。后李陵捕得俘虏，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：‘以单于亲率数万骑兵攻打汉朝几千人，却不能把他们消灭，那以后还如何再调兵遣将，也会使汉朝越发轻视匈奴。务必在山谷间再度猛攻，如今还有四五十里才到平地，即使不能破敌，返回也来得及。’”
李陵部下将士虽然勇猛善战，但由于连日来的作战，也基本到了极限。与此同时，匈奴由于死伤众多，且鞮侯单于认为继续打下去代价太大，也失去了继续作战的决心，当再一次交战又死伤两千余人后，眼见仍然无法取胜，且鞮侯单于便打算撤兵。
恰在此时，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。他将李陵军中情形，详细告知了且鞮侯单于，“李陵军无后援，并且箭矢已尽，只有李陵将军麾下和成安侯韩延年手下各八百人排在阵式前列，分别以黄白二色作旗帜，派精兵射杀旗手即可破阵了。”
单于得到管敢的消息大喜，立即命骑兵合力攻打汉军，边打边喊，“李陵、韩延年快降！”
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，箭矢便全部射光，难以继续抵挡匈奴骑兵的汉军，只得丢弃战车退走。
当时，汉军虽然还剩三千多士兵，但武器却基本损失殆尽，于是赤手空拳的便斩断车轮辐条当武器，军吏们也只有短刀。
不久，边战边走的汉军又被一座大山所阻，无奈只得折入狭谷。单于见状，立即派兵切断了汉军的退路，又在险要处放下垒石，很多士卒都被砸死，其余汉军也因道路被垒石阻断，难以继续前进。
黄昏后，李陵换上便衣独步出营巡视，很久以后才回来，叹息说，“兵败如此，惟求一死！”
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，像浞野侯赵破奴那样，虽被匈奴俘获，但后来逃回去，陛下仍以礼相待，何况对将军您呢！”
李陵说，“你别说了，我不战死，不为壮士”，遂命部下把旌旗都砍断，把珍宝埋藏在地下，然后扼腕道，“再有几十支箭，我们足以逃跑了，可现在已无武器再战，天一亮就只有束手待擒了。不如各作鸟兽散，或许还有人能逃回去报告陛下。”
于是，李陵命令将士们每人拿上二升干粮，一大块冰，约定在边塞遮虏障会合后，便准备在夜半时分击鼓突围。
深夜，李陵将汉军剩余士兵分作十余路，自己和韩延年同为一路，布置完毕后，随着一阵战鼓声响起，各路汉军一起向外冲杀。
在亲兵的拼死护卫下，李陵和韩延年成功冲出包围圈，而此时跟在他们身后的，就只剩下了十余人，在他们身后，则是数千匈奴骑兵紧追不放。
然而，步兵如何逃得过骑兵，李陵等人冲出包围圈不久，便再度被匈奴军队追上，双方一场血战，韩延年力战而死。
久战力竭的李陵，看着身边的汉军壮士们一个个倒下，长叹道，“我无脸去面见陛下呀！”说罢，手中战刀悄然滑落，无力再战的他命令仅剩的几人四散逃命，自己则下马投降，为几人逃走争取时间。
李陵兵败之处离边塞只有百余里，而匈奴人又将李陵作为了首要目标，对其他各路汉军的追击并不算太过严密，这让最终侥幸逃回塞内的汉军达到了四百余人，边塞把情况报告了朝廷，汉武帝以为李陵已经战死，因此感到十分痛心。
且鞮侯单于俘虏李陵之后，还不等高兴，突然又接到急报，天山以北的匈奴各部遭到汉军主力的进攻，希望单于能够发兵救援。且鞮侯单于这才明白了汉军的真正意图，由于事情紧急，他也顾不上休整，连忙率领大军向西进发。
奉命拦截匈奴援军的因杆将军公孙敖和强弩都尉路博德率军出塞后，于涿邪山会和，然后侦骑四处，探查匈奴的动向。然而，他们却不知道匈奴主力大军为了追击李陵，早已经深入到了漠南的汉朝边境一带。
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