这天汉军捉到一个匈奴俘虏，俘虏说：“我们的单于说：‘这是汉人的精兵，打他们不下的。他们日夜引我向南退到边塞地方，恐怕有什么埋伏吧？’单于以下的许多酋长都说：‘单于带了几万大军，攻打这几千汉军，如果不能获胜，以后汉人更看不起匈奴了。请在山谷间和汉军拼死一战，若南去四五十里到得平地，仍不能大破汉军，那我们就回去算了。’”
李陵听得匈奴人的报告，心里又喜又急。喜的是匈奴内部意见不合，急的是匈奴骑兵很多。两军又开始对战，一日之内就厮杀了几十回，汉军又歼灭匈奴兵三千多人。
匈奴部众因战事不利，正想退去，未承想有一个叫管敢的，曾在李陵军中被校尉所辱，逃降到匈奴军中，对单于说道：“李陵的军队没有后援，弓矢都快要用尽了。只有李将军属下和成安侯韩延年各有八百人为前锋，用黄色旗和白色旗的就是。你们用骑兵快箭去攻打他们，就可消灭他们。”
单于听了管敢的说辞，大为兴奋，立即出动骑兵向汉军开战。驰马来到阵前，单于就大声呼号：“李陵、韩延年，你等快快出来投降。”
李陵、韩延年不知自己已被出卖，率军出击匈奴兵，双方打得非常激烈。奈何匈奴兵多，陵军在山谷中且退且战，一时处于劣势。匈奴兵在山上追赶，乱箭四射，好像大雨一般。
汉军仍向南走，不过一日，还没到鞮汗山，五十万支箭已经用尽。这时汉军还有三千多人，没了弩箭，手中兵器丢的丢，残的残，只好将战车毁了，取了车辐当兵器；军吏们只能拿着短刀应战。到了鞮汗山，进入峡谷中，单于兵从后追上，在山上放下滚石，汉军多被轧死，再也不能前行，只好就地扎下营寨。
黄昏后，李陵身着便衣，独自走出营来，不许左右人跟随，说道：“大丈夫当独手擒单于！”过了好久，李陵回来了，长叹道：“兵败，死吧！”军吏中有人劝他道：“将军名震匈奴，如今时运不济，不妨暂降匈奴，将来得便，仍可回汉。像那浞野侯赵破奴为匈奴所擒，后来回到汉地，皇上仍收容他，何况将军您呢！”
李陵道：“你不要再说了！不为朝廷而死，我还算什么大丈夫？”于是将旌旗斩了，随身带的珍宝埋了，叹口气道：“要是再得有几十支箭，就可解围逃脱。现在没有兵器可以应战，到了天明，只好束手就擒了。大家各自逃生去吧，如若逃脱，可以跟陛下禀明这里的情况。”就令军士每人备干粮二升、冰一块，各自逃生，到居延塞相会。
夜半时分，军中打算起鼓，催促士兵突围，谁知鼓都击不响了。待大多数士兵四面突围而去，李陵和韩延年才上马，跟随的有十几个人，匈奴兵几千骑从后面掩杀过来。韩延年战死，李陵也再不能支撑下去了，便大哭道：“我还有什么面目回去见陛下呢？”于是，下马被俘，降了匈奴。据说，他的部下四散逃命，逃回居延塞的仅四百余人。
