李陵率軍且戰且退，這時候距離漢朝邊境已經不遠。匈奴單於見李陵部卒剽悍非常，久戰不下，心中又是焦急又是懼怕，有心退兵，便對左右說道，我們打了這麼長時間竟然都沒打敗他們，這肯定是漢朝最精銳的部隊。這些漢軍一路引我們南下，恐怕是誘敵之計，要是漢朝邊境有重兵埋伏，那我們就危險了。左右將領見單於有退意，不由得都有些驚詫，其中有人便說，單於您親自將兵數萬，十幾倍於敵卻不能殲滅漢軍，這件事以後要是傳出去，一定會成為笑話，漢人誌氣從此大漲，而我們匈奴人，將永遠沒有出頭之日。匈奴單於見左右這麼說，終於狠下心來，決定一戰到底。
就在這時，李陵軍中卻發生了一件事，這件事對李陵而言，無疑是災難性的。李陵部下管敢受了校尉的氣，不忿之下投降匈奴，當了叛徒。這人投降匈奴後，為了博得匈奴單於的青睞，便將李陵出賣了。怎麼出賣呢？這個叛徒是這麼對匈奴人說的，首先，他說李陵這次其實是孤軍深入，漢軍主力都在貳師將軍李廣利那邊，李陵是沒有後援的。其次，他說經過這些天的戰鬥，李陵部下的箭矢快要用光了，漢軍此時的殺傷力已經不大。說出這兩點後，這個叛徒就又開始獻策了，說隻要先截斷李陵退往漢朝邊界的後路，然後引誘漢軍射出剩餘的箭鏃，李陵便可成為匈奴的俘虜。
匈奴單於聽了，十分高興，便依計而行。這時候李陵軍已經來到一處峽穀之內，經過一通亂射後，匈奴兵雖然被逼退下去，但漢軍的箭矢卻也用盡，而且後路也已被匈奴阻斷。到了這種地步，漢軍並不妥協，手持短刀與匈奴短兵相接。入夜之後，戰鬥終於停了下來，李陵見自己的部下死的死，傷的傷，心中悲憤莫名，暗歎自己運氣不好，此時箭矢已經用盡，若是再有數十箭鏃，他便可率部突圍了。一旁的手下見李陵心情不好，便安慰起來，說經過連日來的戰鬥，匈奴人已經知道了將軍的大名，如今窮途末路，將軍不如暫且投降匈奴，等到日後有機會，再回到漢朝，古時候就有這樣的先例，皇上一定會理解將軍的苦衷的。李陵聽了直搖頭。
半夜時分，李陵命活著的部下各自逃命，他與韓延年也率十餘人突圍，結果被匈奴騎兵發現，群起圍攻，韓延年戰死，李陵投降了匈奴。這場戰役李陵以五千步卒對陣匈奴八萬騎兵，在兵力懸殊的情況下，殺傷匈奴騎兵萬餘。而原本打算與匈奴主力決戰的貳師將軍李廣利，由於匈奴主力全部被調往圍剿李陵，李廣利在草原上轉了一圈，無功而返。
李陵投降匈奴後，劉徹十分憤怒。他原本對李陵寄予厚望，沒想到李陵竟然投降了匈奴。而朝中大臣這時候也見風使舵，俱言李陵有罪，隻有太史令司馬遷為李陵求情，說李陵以五千疲敝之卒轉戰千裏，抑製住了匈奴的數萬騎兵，他竭力死戰，最後雖然投降匈奴，但一定有他不得已的苦衷，如果李陵僥幸不死，日後一定會尋找機會報效漢朝的。
而在劉徹心中，他是不容許有人投降匈奴的，尤其是漢朝的將軍，尤其是才華堪比衛霍的李陵。見司馬遷竟然敢公然為李陵求情，劉徹大怒之下，便將司馬遷腐刑下獄。
李陵在匈奴一年有餘，劉徹派公孫敖率兵入匈奴，無功而還。為了尋找理由，公孫敖便將過錯賴在投降匈奴的李陵身上，說他進入匈奴腹地後擒得一個俘虜，這個俘虜說李陵在匈奴教授匈奴單於對付漢朝軍隊的方法，他之所以無功而返，就是因為李陵的原因。
劉徹本就氣憤李陵降敵，此刻聽了公孫敖的話，頓時勃然大怒，便將李陵妻兒老母全部誅殺了。隻因為李氏一族是隴西的大族，從此以後，隴西士大夫階層都以李氏為恥，李廣一家的名聲，自此而沒落。
後來，漢朝使者出使匈奴，李陵質問漢使，說他以五千步卒橫行匈奴，因為沒有救兵而失敗，他對於漢朝，早已經盡心竭力了，可是為什麼劉徹還要殺他的全家？漢使便將公孫敖所說李陵教匈奴單於練兵的話告知李陵，李陵聽聞不勝悲憤，說教匈奴單於練兵的不是他，而是一個名叫李緒的漢朝降將。
為了給妻兒老母報仇，同時也氣不過劉徹誤聽公孫敖的辯辭，李陵便派人把李緒殺了。