李广有三个儿子，长子当户在其子李陵还未出生时病逝。李陵擅长骑马射箭，年轻时受命看管设有汉武帝居室的建章宫。后经汉武帝同意，李陵统领一支五千人的军队，驻扎在酒泉和张掖两个郡防范匈奴入侵。

天汉二年（前99），贰师将军李广利奉命率三万骑兵从酒泉出发，前去讨伐匈奴右贤王。同时，汉武帝任命李陵为辎重队伍的统领配合作战。血气方刚的李陵不愿意在运输队做后勤，希望能够直接参加战斗。为此，李陵在皇宫武台殿拜见汉武帝，恳求率领经过训练的五千步兵插入敌阵佯攻，阻止匈奴的骑兵集中兵力攻击贰师将军的兵马。踌躇满志的汉武帝由于当时多支军队都在执行作战任务，无更多的骑兵可派，勉强同意了李陵的请求。但是企图用步兵对抗具有大范围行动半径特点的匈奴骑兵，无论怎么说都是失策之举。于是，汉武帝决定让强弩都尉路博德率兵半路接应李陵兵马。路博德曾担任过伏波将军的职务，是傲气十足的一员老将，极不情愿充当李陵的配角。为了推掉接应李陵这位后生的差事，路博德上奏汉武帝，称正值秋季，匈奴兵强马壮，建议开春后出兵。这个奏章拉开了李陵厄运的序幕。英明的汉武帝没有看透老臣狡猾的险恶用心，误以为李陵后悔原先的决定而不愿出战，还认为路博德的上书是李陵所指使，因此非常生气，拒绝路博德关于延期出兵的提案。

李陵按照当初计划率五千步兵出发，经过三十天行军，在到达浚稽山时与匈奴且鞮侯单于相遇。匈奴军以三万骑兵包围李陵军，李陵军则在山与山之间的开阔地，用战车围成一个圆形阵形。圆圈外围由步兵排成内外两层，手持戟和盾牌的士兵在前，手持弓箭和弓弩的士兵在后。正当匈奴军欺负李陵军人少，从正面实施进攻，企图一举击溃李陵军时，李陵军瞬间万箭齐发，箭在空中穿梭的声音此起彼伏，匈奴兵纷纷倒地。匈奴军因眼前意外的惨象而大惊失色，急忙向山上溃退，这时李陵军乘势追击，砍杀匈奴军数千人。匈奴的单于对李陵军的强悍感到惊讶，又调集兵马，以八万骑兵继续向李陵军发起猛烈攻击。李陵军且战且走，向南面移动。李陵军的士兵，三处负伤者乘坐战车，二处负伤者帮忙推车，一处负伤者持兵器投入战斗。数日后李陵军来到一大片沼泽地，他们希望进入芦苇荡，逃避匈奴骑兵的攻击。可是，匈奴却从上风口放火，使得李陵军面对火情不得不防备火攻。当李陵军继续向南推进时，埋伏在南面山上的单于儿子率骑兵攻下山来，一场短兵相接的白刃战在树林中展开。即使在这种情形下，李陵军仍然英勇奋战，杀敌数千人，单于的儿子落荒而逃。从这次战斗中捕获的匈奴兵口中，李陵了解到匈奴军内部情况。原来单于怀疑李陵军之所以顽强抵抗不投降，是计划诱使匈奴军向南行进，予以伏击。已无计可施的单于打算撤兵，但匈奴的酋长们极力反对，他们认为，如果不能以十倍以上的兵力消灭李陵军，就建立不起单于的权威，而且还会被汉朝欺辱。得知这一情报，李陵的众将士群情激昂，他们经受住每日几十次的激战，消灭了两千多敌人。面对无法打败的李陵军，匈奴军滋生厌战情绪，开始考虑撤退。

就在这时，厄运又一次降临到李陵身上。李陵军中有个小队长叫管敢，因受到上司侮辱，一怒之下便投奔了匈奴，同时也把李陵军没有援军、携带的五十万支箭已快用尽等军情透露给匈奴。匈奴军士气大振，又开始了新一轮的攻势。匈奴军箭如雨点般射向为避开匈奴骑兵而在山谷布阵的李陵军。当天战斗中李陵军用尽箭后，就将战车的车轴木条拆下当武器，以防备匈奴骑兵进入鞮汗山峡谷前来进攻。由于峡谷的出口被匈奴用乱石封堵，汉军最后剩下的三千多人成为瓮中之鳖。这时李陵部下中有人提议投降，还力图说明先投降再逃回汉军后被赦免的可能性。李陵否决了投降的提议，他认为自己是壮士，唯有战死一条路。李陵的将士们绞尽脑汁，在生死之间斟酌各种方案，最终决定众人分散，各自四处突围，以求有人能突围回到遮虏鄣向天子报告。李陵给每个士兵分配二升干米和一块食用冰，约定半夜击鼓突围。然而战鼓被深夜的露水淋湿，居然敲而不响，擂不响的战鼓预示着凶兆。李陵与韩延年一起策马前行，身后十多名壮士跟随。匈奴则派出一千多名骑兵追赶李陵一行，并最先射杀了韩延年。韩延年的父亲是安成侯韩千秋，在讨伐南越战死后，其安成侯的爵位由韩延年继承。这次出征中，韩延年奉汉武帝之命在李陵军中担任校尉。看到韩延年先于自己战死，李陵觉得已无颜面再见天子，于是向匈奴投降。

李陵五千人军队中回到边境大本营的士兵仅剩四百余人。李陵兵败的战报一到朝廷，汉武帝马上向大臣们了解李陵战况。群臣纷纷责难并怪罪李陵，唯独司马迁，虽平时与李陵并无深交却为李陵辩护，由此埋下了祸根。贰师将军李广利的妹妹为汉武帝宠姬，生下一个男孩后，深得汉武帝欢心。但李广利却在这次出征中未获战功，有心想让宠姬兄长建功的汉武帝执意认为司马迁为李陵辩护是为了诽谤李广利，下令对司马迁处以宫刑。

李陵投降匈奴后苟活在单于所在的军营中。汉武帝在得知李陵军的战况后，为没有及时派出援军感到非常懊恼。一年之后汉武帝让因棜将军公孙敖带兵马深入匈奴营地，接李陵回汉。这次汉武帝的皇恩又导致了李陵的厄运。出征的公孙敖还没有交战就撤兵了，并按照俘虏的口供向汉武帝报告，称李陵向单于传授兵法战术，以致汉军无法取胜。汉武帝闻讯大怒，下令将李陵的母亲和家族成员全部杀死。在李陵出生地陇西，当地的官绅都斥责李陵不为大义去死，将李陵视为当地的耻辱。然而，俘虏口供中的李氏，虽同为李姓却非李陵。或者是俘虏搞错，把先于李陵投降并效力于单于的李绪误当作李陵；或者是没有战绩的公孙敖有意听错，二者必居其一。

至此，让李陵返回汉朝的理由已不复存在。后来李陵娶单于的女儿为妻，在匈奴受封号右校王。汉武帝死后，汉朝廷派来的使者曾劝李陵回国，但李陵回应说，“大丈夫岂能再次受辱”，断然拒绝。