因此，在接到匈奴右部的求援后，且鞮侯单于便沿着汉朝边境北部，一路率军向西疾驰增援，而涿邪山距离汉朝边塞近六百里。如此情形下，驻军于涿邪山的公孙敖和路博德，如何能够发现匈奴军队的动向，结果就此与匈奴大军错过，根本没能发挥拦截作用。
如此一来，作为主力攻打右贤王的李广利，可就被害惨了。
作为主攻方向，李广利率领三万骑兵自酒泉出塞后，一路率军向西北疾驰，奇袭天山北麓一带的右贤王麾下各部，此次出征极为顺利，李广利先后斩杀和俘虏万余人，就连南下驰援的匈奴右贤王也战败而逃，然而就当李广利率军撤退时，由于军中有大量俘虏和缴获的财物，行军速度较慢，结果还没来得急撤回塞内，便不幸与击败李陵后西进的匈奴主力遭遇。
由于李广利所部兵力较少，军中又多有俘虏财物，不如匈奴军队那样来如自如，结果陷入了匈奴大军的包围之中。虽然汉军将士极为勇猛，持续交战数日，始终没有落入下风，然而由于后勤补给被切断，随着时间的推移，缺乏粮草的汉军战力逐渐下降，伤亡日渐增大。
眼看这么下去不是办法，代理司马的陇西人赵充国自请冲阵，为大军打开突破口，李广利同意了赵充国所请。
于是，赵充国率领一百余精锐骑兵，抱着必死决心冲击敌阵，一番拼杀下，将包围圈的一角搅了个天翻地覆，眼见匈奴军阵出现漏洞，李广利率领大军抛弃俘虏和财物，紧随其后冲出，这才得以冲破敌阵、脱离困境。
李广利率军冲破重围后，率领所部纵马疾驰，迅速脱离战场，成功退回了塞内。
此战，汉军虽然斩杀了匈奴右部万余人，李陵一路也多有斩获，但汉军方面却只有公孙敖、路博德两路军队因为没有遭遇匈奴军队全身而退，其余两路大军阵亡了十之六七，伤亡较之匈奴还要惨重，可谓一场惨败。
当初，李陵残部逃回塞内，驻守边塞的军队将消息告知汉武帝，汉武帝原本以为李陵是战死了，为此感到十分伤心，为此还命人将李陵的母亲和妻子召入宫中，本想好言安慰一番。然而，却有善于相面的大臣禀报，说李陵的母亲和妻子脸上并无死丧之色，汉武帝这才起了疑心。
后来，汉武帝得知李陵并非战死，而是投降了匈奴，得知消息的汉武帝极度愤怒，立即命人召陈步乐入宫责问，陈步乐自知难逃牵连，自杀而死。
与之相对应的，却是率死士为大军突破重围的赵充国，虽然他成功逃回了汉朝，但全身上下却受创二十余处，李广利将情况上奏朝廷后，当时正在外巡视的汉武帝，命人将赵充国小心送到自己的驻所，亲自查看了他的伤势，对其的勇猛极为赞叹，命人不惜一切代价予以诊治，并封赵充国为中郎。
事后，文武百官皆骂李陵违抗军令、战败降敌，唯有太史令司马迁替李陵说话，“李陵服侍母亲极为孝顺，对士卒又讲信义，常奋不顾身以赴国家危难，可谓国士之风。如今他一次战败，那些为保全身家性命的臣子便攻其一点而不计其余，实在令人痛心！况且李陵统兵不足五千，深入匈奴腹地，搏杀上万之众，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，其部下如此以死效命，就是古代名将也不过如此。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。他之所以不死而降，不过是为了立功赎罪以报效朝廷罢了！”
然而，当时汉武帝正在气头上，哪里听得进去，再加上当时攻击李陵已经成为了“政治正确”，大家纷纷出言痛斥，而司马迁此言不仅是在与众大臣唱反调，而且将所有大臣全都得罪了，结果非但没能替李陵开脱，反而让自己陷入了众矢之的，最终被汉武帝下狱问罪。
后来，汉武帝冷静下来，才认识到李陵的投降并非本意，乃是因为无援兵救援所致，颇有些自责的说道，“李陵出塞时，本打算诏令强弩都尉接应，只因受了这奸诈老将奏书的影响又改变了诏令，才使得李陵全军覆没。”于是，汉武帝又派使者慰问赏赐了李陵的残部，只是司马迁却并未被释放出狱。
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