李陵接到命令后不敢拖延，马上率领他的5000士兵出发了。他们从居延（今宁夏北部）向北，走了30多天之后，到达了浚稽山。李陵一面派人安营扎寨，一面细细勘探地形，并且叫人把沿途的地形都画了下来，交给部下陈步乐，让他先回去向汉武帝禀报。
陈步乐见了汉武帝之后，将李陵那边的情况大大宣扬了一番，说李陵领兵有方，很得人心，5000名士兵都肯为他效尽全力，死且不辞。汉武帝一听大喜，顿时觉得胜利在望。盛喜之下，将陈步乐留在朝廷，做了一名郎官。
在朝廷上下皆以为李陵这边万事顺通、胜利指日可待的时候，李陵他们却陷入了一场死战。
原来陈步乐走后不久，他们就被匈奴兵力发现了，随即六倍于他们的敌军将他们团团围住，匈奴单于亲自领着一队人马向李陵他们冲过来，面对潮水般涌来的敌军，李陵异常镇定，他排好阵式，命令士兵向敌军放箭，顿时千弩齐发，敌军纷纷落马，单于被汉军的神威所震慑，不敢再进一步，领着剩余兵力仓惶向浚稽山上逃去，汉军乘胜追击，又杀了几千匈奴。
初战告捷，军士们无不欢欣鼓舞，却没料到一场更大的苦战正等待着他们。
那单于损兵折将，岂肯善罢干休？马上又亲领了8万多人马再次攻打汉军，李陵他们一面沉着迎战，一面向南方撤退，几天之后，来到了一个山谷，连日杀敌，士兵中已经有不少中箭受伤的，李陵将队伍重新编排了一下，次日又杀了敌军3000多人。5000壮士浴血奋战，到此时已死伤累累，而朝廷竟没有派一名援军前来救助。李陵见敌军实在太多，就想沿着龙城（今鄂尔浑河西侧和硕柴达木湖附近）的故道回师，于是他领了士兵向东南方向撤退。四五天之后，一行人走到了一个有芦苇的沼泽地，匈奴从上风放火，顿时一片火海将他们包围，为了自救，李陵和士兵们放火烧掉了自己周围的芦苇，以免火势蔓延过来。
这一危险过后，这一群勇士又继续向南方行走。不久，到了一座山下，单于亦紧紧追击到了南山（今阿尔泰山的一部分）。单于在南山上观望了一下陵军的阵势，觉得这队疲惫之师已经不堪一击了，于是派了他的儿子前去攻打陵军，没料到李陵他们依旧异常英猛，辗转于树木丛林之间，又杀了几千匈奴，单于见事情不妙，正要增派兵力，李陵已经发现了他，遂令发连弩射杀他，嗖嗖利箭飞来，单于吓得逃下山去了。
回到军帐的单于惊魂未定，陵军的英勇还击让他束手无策，同时，他也疑心陵军且战且退，是不是想把他们引入汉军的大埋伏之中，因而是进，是退，单于犹豫不定。
恰在此时，李陵军中出了一个叛徒，他向单于告密说：“陵军没有后援，而且箭都快用光了。现在只有李陵和成安侯韩延年各领了800人在前面抵抗，那分别打着黄旗和白旗的就是。只要用精锐兵力把他们射杀了，陵军就可以马上攻破了。”
单于一听，大喜过望，马上派兵再一次围攻陵军。
李陵他们被困在山谷里，匈奴在山上居高临下，从四面八方向他们射箭，李陵率兵士一面抵挡如雨的飞箭，一面向南突围，50万支箭很快用光了，剩下的3000士兵弃了军车，砍下车辐当作武器，军官们用短刀与敌军搏斗，他们走进了峡谷。单于率兵赶来，封住了峡谷的出路，并且命令士兵借着山体的掩护向谷中投大石头，陵军躲闪不及，死伤惨重，无法继续与众多的匈奴兵力抗衡了。这天黄昏，李陵脱下戎装，换上便衣独自走出营寨，他要凭自己一个人的力量去取单于的首级。许久，许久，李陵都还没有回来，将士们忐忑不安地等待着、猜测着，十分担心他的安危。
终于，他回来了，手中空空，满脸悲愤之色，“败了，失败了！该死啊！”他长叹一声，望着面前随他出生入死的将士们，他觉得心里有愧。可是局势已经发展到了这个地步，他李陵已经无法挽回了，其实，这能怪他无能，能怪他没有尽力吗？以5000兵力，与80000敌军抗衡，周旋于敌军的领地，前有强敌，后无援军，5000将士孤军奋战，杀敌无数已经耗尽了所有的气力。可是朝廷呢？竟然对他们的生死不闻不问，此地距汉朝的边境不过一百来里了，陵军死战峡谷的消息早传到了汉廷，可是汉武帝竟没有派一兵一卒去支援他们。面对惨局，李陵满心悲愤，一名军吏劝他投降，说：“将军您威震匈奴，此次战败是上天的安排，不如暂时投降，以后总有机会回去的。
当年浞野侯赵破奴被敌人俘虏，后来逃了回去，天子不也是对他很好吗？”李陵冲他一瞪眼，喝道：“你劝我投降，叫我不死，难道配称‘壮士’吗！”于是折断了所有的旌旗，将贵重物品埋在地下，叹道：“如果再有几十支箭，我们就可以突围了，现在连作战的东西都没有了，等到天亮，恐怕只能束手受缚了！与其大家同归于尽，不如各自散开了去，有能够逃出去的，就回去向天子复命吧！”说罢，分给将士每人二升干粮，一片冰，准备突围，能突围到居延城的，就等着集合。到了夜半时分，李陵和韩延年上了马，向峡谷的出口冲去，后面仅仅有10多个跟随着，敌军却有数千人追了上来，一番殊死搏斗之后，韩延年战死了，李陵自叹无颜再见天子，遂下马投降了。
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