過了些時日，路博德給漢武帝寫了封別有深意的信，信中說：現在正是秋天，匈奴兵強馬壯，軍糧充裕。我看並不是攻打他們的好時機，臣願意挽留李陵，讓他來年春天再出征，到那時，臣與李陵各自帶上五千人馬，分別從酒泉和張掖出發，以東西包圍之勢攻打單於。
這封信本來也沒什麼，但路博德說臣願意挽留李陵，這仿佛是在為李陵說話。信到了漢武帝手裏，就讀出不同味道來了，這該是李陵那個臭小子找路博德來說好話了？他是後悔自己當初的承諾了？他到底是怕了，五千步兵，直插單於心髒之類的話是隨便可以在寡人麵前說的嗎？
這麼一想，漢武帝心裏就有了不高興，這種不高興有一些來自李陵的出爾反爾，更多的是他覺得路博德的來信讓他看到了李陵的膽怯，這個自己一向看好的李氏將門之後，原來也隻是個膽小鬼。
漢武帝自然不答應路博德的挽留，他命令李陵即刻發兵。
就這樣，那個多事的秋天，李陵帶著五千步兵，從居延出發，征討匈奴。年輕氣盛的李陵不會知道，他正在一步又一步地走向命運的深淵。
李陵的軍隊在戈壁灘上一路向西，走了大半個月。到達浚稽山時，單於三萬鐵騎橫空出現，見漢軍人員稀少，著力圍攻。李陵軍隊奮力抵抗，勇猛無比，殺敵數千人。這是出乎匈奴軍意料的，他們首先被這樣的氣勢給嚇住了，三萬騎兵居然節節敗退。漢軍一路殺紅了眼，乘勝追出好幾裏路，複又殺敵上千。
單於大驚，在第二天調集周邊地區八萬步兵增援，以更強大的力量反撲過來。漢軍邊戰邊往南退，一直退到了一個大山穀中。連續數日作戰，李陵的軍隊死傷越來越多，但士氣依然高漲。接著再戰，又殺單於兵士三千多人。李陵相信，一旦援兵趕到，大漢軍隊必將勢如破竹，逆轉整個戰勢。
李陵顯然還沒想到，他僅是憑著五千孤軍，前有匈奴精兵強將，後方卻沒有任何依靠。但他們依然頑強抵抗著，盡管且戰且退，但敵人始終無法近前。這樣匈奴軍和漢軍相持數日，匈奴的軍隊有點失去耐心了，他們認為一定是遇上了漢軍勁旅，且李陵的軍隊已退至漢朝邊界不遠，匈奴首領單於也擔心這是一個圈套，恐怕這支軍隊的背後會有一支更為強大的精銳援軍埋伏著，單於就有了撤兵的打算。
在這節骨眼上，李陵屬下一個叫管敢的小軍官，因曾受過自己小頭目的侮辱，投降了匈奴。他告訴單於：李陵的軍隊並不會有後援，且箭矢糧草消耗殆盡。這樣原本無心戀戰的單於有了充足的信心，他們再一次急風暴雨般地發起了進攻。
這樣李陵再次陷入了絕境中，他心裏的那點幻想也一點點少了。其實從第二天開始，李陵就在等待援兵了，如此力量懸殊的仗根本沒法打，他在第一時間就讓自己的信使將這個消息捎給李廣利將軍了。但援兵未到，第三天，第四天，第五天，直到第八天，援兵還是未到……戰士們已再沒有力氣打下去了，箭已用完，糧食也已吃完，從來都不信命的李陵終是走到了一個孤立無援的地步，那一天他知道，有時候命就是自己身後那個人，那些他從來不屑於放在眼裏的人，今天成了他無法跨過的坎。第八日深夜，單於的軍隊包圍了漢軍，李陵自負地歎息：“如果再給我幾十支箭，一定可以順利脫身的。”當然，也有人勸李陵沿著一條小道趕緊跑，李陵拒絕了，他說：“如果今夜再不戰死沙場，我就不是壯士了。”
後來，李陵讓剩下的漢軍各自解散，用他的說法，“這樣也許有機會活著出去，報效朝廷”。自己則帶著十幾個士兵在匈奴大軍中左衝右突，他最親近和鍾愛的戰將一個又一個倒在匈奴的鐵騎前，鮮血染紅了夜晚。
李陵並未如他自己說的戰死沙場，也許戰死沙場確實是一個比較好的歸宿，“作為英雄，要麼戰死沙場，要麼回到故鄉。”這是多麼豪壯的斷言。但如果那樣，李陵就不會是後來那個令人遐想的李陵了。我們無法核實，隻能揣測和假想。在敵人的呐喊聲裏，李陵心裏一定有些什麼悄悄地改變了，他一定是不甘心的，作為一個勇士卻以這樣的失敗告終，以這樣的方式奔赴黃泉路，連那點可憐的冤屈也無處訴說，當然，他的不甘心還來自他宏大的理想在那個夜晚化為灰燼。
李陵投降了，他竟然投降了。
李陵的投降無疑成了大漢朝廷的一次地震。李陵被困邊境的消息不久就傳到了漢武帝耳朵裏，那時他並不知道李陵生死，他將李陵的妻子和老母親叫到朝堂上，找了個相麵的方士，漢武帝是篤信這些的。這也是皇帝慣用的手段，他是想讓相麵的看看這些人臉上是否帶著死喪之氣。其實漢武帝並不擔心李陵戰死，說實在的，那才符合他內心對李陵的想象，他也知道陷入困境的戰鬥一定要死人的，他最擔心的恐怕是李陵已經陷入了困境，卻仍然活了下來，活成了匈奴的軍官，這是漢武帝最受不了的。