路博德也是老将了，觉得李陵用五千步兵打骑兵，还要直捣单于庭简直太不靠谱，婉转向汉武帝建议来年春天再战，结果被训斥一番。而汉武帝也觉得是李陵在出尔反尔，命令李陵绘制行军图报回来。就这样，被汉武帝催促，还连带着把自己原本援军主将给得罪了，李陵仓促地率兵出战了。刚开始还算顺利，李陵以5000人对敌数万人，歼敌一万余人，令汉武帝惊喜不已。匈奴一看李陵来势凶猛就决定退兵，此战本已胜利在望。然而，倒霉的李陵此时却被叛徒出卖了。一个名叫管敢的军侯因被校尉侮辱，一气之下投降了匈奴。这一降，把李陵的一切都暴露给了匈奴。
匈奴单于得知李陵军无后援且箭矢将尽，便发起猛攻。李陵久等援军不至，和将士们浴血奋战至几乎箭尽粮绝。见突围无望，李陵悲叹："兵败如此，唯求一死！"副将韩延年战死，数千匈奴骑兵仍在紧追不舍，李陵走投无路，只好屈辱地选择了投降。此时，他原本想假意投降，伺机回汉。
李陵兵败投降的消息传至长安，满朝文武都纷纷大骂李陵，只有司马迁为自己的好友辩护。汉武帝怒火中烧，根本听不进去，不但对李陵的家人大加斥责，并还准备责问传捷报的部将陈步乐，使陈步乐过于惊恐而自杀。
