天汉二年，贰师将三万骑出酒泉，击右贤王于天山……陵至浚稽山，与单于相直，骑可三万围陵军。军居两山间，以大车为营……陵与韩延年俱上马，壮士从者十余人。虏骑数千追之，韩延年战死。陵曰：“无面目报陛下！”遂降。
——《汉书·李广传》
在得知苏武被匈奴扣押之后，汉武帝对于且鞮侯单于的出尔反尔大为恼怒，认为自己和汉朝都被匈奴所玩弄的汉武帝，如何能够忍下这口气。
天汉二年（前99年），为了让这位刚刚即位的匈奴单于涨涨记性，同时也为了对近年来匈奴屡次犯边予以回敬，让匈奴人重新记起汉军的威势，汉武帝决定再度大举进攻匈奴。
在与大臣们经过一番商议后，汉武帝最终将此次打击的目标，定在了位于天山北麓一带，频频袭击河西走廊，威胁到汉朝前往西域、中亚通道安全的匈奴右贤王麾下各部。
至于具体战术，则仍然是“声东击西”那一套，即命令公孙敖、路博德两军北上，至涿邪山一带会和，做出佯攻匈奴单于庭的样子，吸引和牵制且鞮侯单于、左贤王的注意力，另派贰师将军李广利率领三万骑兵自酒泉出塞，奔袭天山北路匈奴各部，争取一战灭之，对匈奴在西域的势力进一步削弱。
为了确保能够取胜，防止大军再度因为后勤运输问题陷入困境，汉武帝又召见骑都尉李陵，命其率军负责大军的粮草运输，确保后勤供应安全。
李陵是李广之孙，年轻时曾任侍中、建章监等职，因善于骑马射箭又有仁爱之心，能够礼贤下士，因此名声极好，汉武帝也认为他有祖父李广的风范，为了对其加以培养，汉武帝曾命李陵统领八百骑兵，深入匈奴两千里，越过居延侦察地形，李陵顺利完成任务，因此越发受到汉武帝的重视。
后来，汉朝开拓河西之地，汉武帝任命李陵为骑都尉，命其率领五千名丹阳楚人勇士驻扎酒泉、张掖等地，教习他们箭术以防备匈奴。
李广利西征大宛时，李陵曾奉命率领五千兵马随后出征，但行军至边塞时，汉武帝又诏命李陵留下将士，只率五百轻骑出敦煌至盐水，迎接李广利回师，然后仍驻屯在张掖。
年轻气盛的李陵，一心想要完成祖父当年的未竟之业，像父祖那样领兵与匈奴作战，从而立功封侯，多年来他屯边练兵，就是为了有朝一日能够领兵出征。然而匈奴自漠北一战后，多年来只是以小规模袭扰为主，不再与汉朝正面作战，而汉朝多年来四处用兵，也从未再出征匈奴，以致李陵始终捞不到上战场的机会。
如今，朝廷好不容易再度出兵匈奴，一心想要立功封侯的他，又岂能甘心只做一个押粮官。因此，李陵来到武台殿拜见汉武帝时，求战心切的他，便叩头请求道，“臣所率领的屯边将士，都是荆楚勇士、剑客，人人力可缚虎、射必中的，希望能够自成一军独当一面，到兰干山南边以分单于兵力，请不要让我们只做贰师将军的运输队。”
或许是由于李广、李敢两代将领死的不明不白，让汉武帝对于李家有愧疚之感，因此对颇有军事才能的李家第三代将领李陵，自小便极为宠爱。对于李陵的当面抗命，汉武帝非但没有生气，反而以半开玩笑的口吻说道，“你是耻于做他人的下属吧！我此次出兵众多，可没有马匹拨给你。”
李陵抬头看着汉武帝，态度坚决的答道，“不须给我调拨马匹，臣愿意以少击多，只用五千步兵直捣单于庭。”
汉武帝见李陵如此有志气，又敢于承担重任，顿感欣慰，于是便同意了他的所请，李陵闻言，这才难掩欢喜的叩头谢恩后离去。
看着李陵离去的背影，汉武帝满意的笑了笑。不过，考虑到李陵太过年轻，为了以防万一，汉武帝重新调整了原本的作战计划，诏令原本作为佯攻的老将强弩都尉路博德作为接应部队，率兵在中途迎候、接应李陵的部队。
路博德早年率兵攻灭南越，后长期率兵驻守南越，安抚当地百姓，太初元年（前104年）因儿子犯下大逆不道之罪，路博德受到牵连而被削职免爵，后奉命在居延泽修筑居延塞。
路博德原本也希望利用此次出兵来立功赎罪，恢复自己的职位爵位，如今却被年少的李陵夺去了机会，他心中自然极为不满。何况，作为曾经独领一军平定一方的老将，他也羞于作为年轻的李陵的后备，因此便上奏汉武帝说，“如今刚刚进入秋季，正值匈奴马肥之时，不可与之开战，臣建议留李陵等到春天，再与他率领酒泉、张掖五千骑兵分别攻打东西浚稽山，必将获胜。”
汉武帝阅后大为恼怒，因为李陵坚决请求出战，汉武帝为了他不得不调整战略部署，已经为此耽误了一个多月的时间，如今大军好不容易准备停当，若是继续耽误时间，再错过了秋天，那么今年的出兵计划可就彻底搁浅了。
汉武帝看着奏疏，怀疑李陵这是请战之后又后悔了，乃是因为不想出兵，这才指使路博德上书，于是传召路博德，对其说道，“我原本想调拨马匹给李陵，他却说要以少击众。如今匈奴侵入河西，速带你部赶往河西，守住钩营之道”。
紧接着，汉武帝又命人传令给李陵，“必须于九月出兵，沿险要的遮虏障出塞（即居延塞），到东浚稽山南面龙勒水一带，徘徊以观敌情，如果没有发现匈奴军队，就沿着浞野侯赵破奴走过的路线前往受降城休整，并将情况派快马回报朝廷。此外，你与路博德说了些什么？一并上书说清楚。”
至于李陵是如何答复汉武帝的，我们已经不得而知，但经过路博德这么一闹，汉武帝的战略部署再度发生改变，李陵的五千步兵变成了佯攻部队，攻击方向则变成了西迁的单于庭方向，目的是吸引单于和左贤王的注意力；路博德和公孙敖的军队则变成了阻截军队，目的在于切断单于庭、左贤王和匈奴右部的联系，阻截匈奴援军，防止单于和左贤王出兵救援匈奴右部。
如果各路军队真的按照汉武帝的部署行事，那么此次出战将会极为顺利。作为佯攻军队的李陵，虽然率领的多为步兵，但汉武帝却并未要求其与匈奴主力作战，只需要到浚稽山南麓一带晃悠一圈，如果能够发现匈奴的散兵游勇，打上一仗更好，如果没有发现，就退回受降城休整坚守，只要能吸引且鞮侯单于和左贤王的注意力，便算完成了任务，并不需要他正面迎敌，即便且鞮侯单于和左贤王出兵来攻，也可先敌一步退回受降城，凭城坚守，不至于遇到危险。
就算且鞮侯单于和左贤王发现了上当受骗，向西救援右贤王，路博德和公孙敖的军队也可切断他们的救援之路，只要为李广利的主力军队争取到足够的撤退时间便足以。
不过，汉武帝显然低估了匈奴的实力和各路将领犯错的能力。
首先说匈奴的实力，在汉武帝看来，虽然此时距离“漠北之战”已经过去了近二十年，但他并不认为当初遭受重创的匈奴，已经恢复了一战之力。然而，汉武帝却少考虑了一点，匈奴这种游牧民族并不同于中原农耕文明，由于管理粗放、生产方式落后，他们恢复国力并不需要考虑经济发展和社会生产等因素，只要男丁人口恢复上来，便重新拥有了一战之力。漠北之战后，匈奴远迁漠北休养生息，历经近二十年，他们的人口早已恢复，虽说暂时尚且无力与汉朝正面进行大规模作战，但并不代表他们没有出兵作战的能力。
再来说汉军将领犯下的致命错误。可以说，正是由于李陵立功心切擅作主张，导致汉军原本的作战计划全部泡汤。
李陵率领五千步兵从居延出发之后，向北行进了近三十天，到达浚稽山扎营，然后将所经过的山川地形绘制成图，派手下骑兵陈步乐回朝禀报。汉武帝召见陈步乐后，询问前线情形，陈步乐表示李陵带兵有方、将士死力效命，汉武帝闻言十分高兴，甚至还任命陈步乐为郎官。
然而，李陵率兵抵达浚稽山后，却并未按照原定计划退回受降城。由于沿途没有遇到匈奴军队，一心想要立功封侯的他，在毫无斩获的情况下，竟然选择了滞留浚稽山寻找匈奴军队，真的准备实现对汉武帝的承诺“以少击多”。
且鞮侯单于得知有数千汉朝步兵进抵浚稽山后，一时间摸不准汉军目的何在，于是调集三万骑兵南下迎击汉军，即便如此仍不安心，担心汉军另有诡计的他，又命人传讯左贤王率领大军南下浚稽山会和。
且鞮侯单于率军抵达浚稽山一带后，派兵探查得知汉军的确只有数千步兵，而且周边并无汉军主力埋伏，且鞮侯单于这才放心率军对李陵发动了进攻。
李陵遭遇匈奴主力后，最初倒也没有慌张，他率兵驻扎于两山之间，以大车作为营垒，充分利用地形降低了四面接敌的风险。阵型布置完毕后，李陵领兵冲出营垒摆开队伍，前排持戟和盾，后排用弓和弩，命令手下士兵道，“听到击鼓就进攻，听到鸣金就收兵”。
李陵布阵的同时，匈奴大军也对李陵完成了合围，见到汉军人少，匈奴大军径直扑向汉军营垒。
李陵虽然兵少，但却都是常年跟随他，经其一手训练的精锐军队，纵使面对数倍于己的匈奴大军也能做到毫不慌张、沉着应对，随着李陵的一声将令，汉军顿时千弩齐发，匈奴兵应弦而倒，冲击队形因此乱作一团。李陵见状，立即率军猛攻，匈奴兵败后退往山上，李陵率军追击，杀匈奴兵数千。
就在此时，左贤王率领五万多骑兵赶到，原本因战败而大惊失色的且鞮侯单于这才定下心来，与左贤王合军一处，重新整顿兵马，然后命令八万多匈奴骑兵一起围攻李陵。
面对十余倍的匈奴大军，李陵知道纵使自己的军队再精锐，也根本不可能击败对方。于是不得不放弃坚守，率军向南且战且走。然而，此前李陵之所以能够顶住匈奴骑兵的进攻，依靠的便是地形优势和车阵，一旦离开了车阵，步兵根本不是骑兵的对手，可是即便如此，自知没有援军的李陵，也只能硬着头皮率军撤退，否则必然会被匈奴大军困死在原地。
数日之后，由于迟迟无法摆脱匈奴骑兵的追击，李陵只得退入一个山谷中坚守。连日苦战，很多士卒带伤在身，李陵于是下令：凡是三处受伤者用车载，两处受伤者驾车，一创者坚持战斗。
李陵见军队士气低沉，便说道，“我军士气不如前，又鼓不起来，是何原因？莫非是军中有女人么？”
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。
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。