面对悬殊的兵力，李陵率军以一当十，又杀死3000多匈奴兵。随后边战边退，转战了四五日，又杀敌数千人。
当李陵率军退入一处山谷后，他从一名匈奴俘虏口中得到了一个重要情报--匈奴人认为这几千汉军是"诱饵"，山谷一战将是最后一战，这里离汉朝边塞不远，匈奴人如果不能取胜，就得撤回去了。
也就是说，只要李陵打赢这最后一战，他的部队就安全了。
根据班固《汉书》记载，这是一场极其艰难和悲壮的战斗，人数处于极度劣势的李陵军"战一日数十合"，犹再"伤杀虏二千余人"。
就在单于被打得没脾气准备撤退的时候，厄运降临了。李陵军中一个叫管敢的人因为不堪忍受校尉的侮辱，竟然在这关键时刻投奔了匈奴，并向匈奴人透露了李陵的底牌："李陵并无后援，箭也用完了，现在只有李陵和成安侯韩延年各率800人前行。如出动精锐骑兵追击，一定可以歼灭他们。"
