正在此时，汉武帝又发动了一次对匈奴的突然袭击，派了新的统帅兵分两路：
主力由李广利率领向西直逼匈奴与西域的交界地带，意在消除匈奴对西域的威胁。
另一路由李陵率领向北深入到匈奴境内，意在与匈奴主力进行周旋。
这一战汉朝遭到了重创，李广利战败，李陵全军覆没，并投降于匈奴。就这样，苏武就更不可能回到自己的祖国了。
汉匈多年战争，双方都心力交瘁，汉武帝晚年，国内危机严重，民不聊生，而匈奴内部也是天灾人祸不断，双方已无力对抗了。汉武帝死后，汉昭帝继位，才缓和了与匈奴的关系，两国开始外交谈判议和，但匈奴还是拒绝释放苏武，一直谎称苏武已死。
