同時，他又命強弩將軍路博德去接應李陵。
路博德也是一員老將，還在元鼎五年（前１１２）就被拜為伏波將軍，親自率領大軍征伐南越，功勳卓著，地位自在李陵之上，當然也不願意為李陵這樣一名後輩小生殿後。
於是他便上書漢武帝說當前正值秋天，匈奴兵強馬壯，不易攻打，願意等到明年春天和李陵一塊率兵出征。
漢武帝看到上書後，沒想到此為路博德不願為李陵殿後的推脫之辭，反而懷疑李陵因後悔出兵而指使路博德這樣上書的。
他本來正為李陵不願為李廣利殿後而生氣，因此更為惱怒了。
恰巧此時又有使者來報說匈奴侵犯西河（今內蒙古準格爾旗西南），漢武帝便不顧路博德的上書，立即下詔路博德、李陵率兵出征。
他命路博德出征西河，李陵出兵遮虜障，並讓李陵把出征的情況迅速向他彙報，就連和路博德的談話也要如實上報。
看來，此時漢武帝對李陵已有猜疑之心。
這似乎也預示著李陵此次出征將不會一帆風順。
其實，李陵出兵之初相當順利。
他麾下的騎士陳步樂很快就馳回京師向漢武帝報告消息說，李陵率領五千步兵出遮虜障後，一路進展迅速，到了浚稽山也沒遇到匈奴，便駐紮下來了；而且李陵軍中士氣甚高，將士都願意誓死效力。
李陵還把沿路的山水形勢畫成地圖，讓陳步樂上奏漢武帝。
漢武帝聽完彙報後，十分高興，立即拜陳步樂為郎官，朝中公卿也都舉杯慶賀。
豈知就在此時，李陵卻在大漠之中逐漸陷入了對匈奴作戰的艱難困境之中。
原來，李陵率軍到了浚稽山還沒見到匈奴，可匈奴早就見到他們了。
就在陳步樂回朝之後，且侯單於親率三萬騎兵突然把李陵的五千步兵包圍在兩山之間。
然而李陵畢竟有勇有謀，臨危不亂，他立即以大車環繞為營，在營外設陣迎敵。
經過將士們的英勇戰鬥，終於擊退了匈奴的首次進攻，並且乘勝追擊，射殺了匈奴幾千人。
雖然首戰即大勝匈奴，但漢軍畢竟隻有五千人，且是步兵，又孤軍深入，李陵恐怕受匈奴重兵包圍，便令大軍迅速南撤。
果然，單於對這支隻有五千人的精銳步兵又氣又怕，便火速召集八萬人馬快速追擊漢軍。
李陵仍然率領漢軍沉著應戰，一麵抵抗，一麵繼續南撤，幾天之中，又射殺了匈奴數千騎兵。
且侯單於見李陵率兵晝夜兼程南撤，突然懷疑漢廷已在邊塞伏有重兵，利用李陵步兵來引誘他們進入包圍圈，便和群臣商議停止追止。
但匈奴大臣都建議繼續追擊一段，等過了平地再說，單於同意了。
此時，漢軍早已到了最艱難的時候，不僅士卒疲憊不堪，箭矢糧草也將殆盡。
但在李陵等將士的激勵下，士卒仍頑強抵抗，浴血奮戰，前仆後繼，一天當中就與匈奴交戰十餘次，又射殺了匈奴追兵兩千餘人。
單於見仍得不到便宜，便又要撤兵。
但在這關鍵時刻，漢軍內卻出現了叛徒。
原來，漢軍軍候管敢因為受到校尉的責打欺辱，夜間偷偷跑到匈奴那邊投降了，他還把漢軍前無伏兵，也無後援，且箭矢糧草殆盡等情況和盤托出，並說漢軍隻有將軍李陵和校尉韓延年各自率領的八百步兵十分厲害，其他的都很普通。
單於聽了大喜，便令匈奴騎兵繼續加緊追擊漢軍，他還親自率領一路精兵進攻李陵和韓延年。
此時漢軍箭矢已盡，兵器全毀，他們便把戰車拆毀作武器，與匈奴展開了肉搏戰。
最終，李陵大軍被匈奴團團圍住。
他眼見漢軍全軍覆沒，便長歎一聲道：
“我再也無顏回見皇帝了！”說完，下馬俯身降敵。
他的部眾最終有四百多人逃回了遮虜障。
李陵戰敗的消息很快就傳回了京城，漢武帝希望李陵能夠戰死疆場，以身殉國。
他便招來李陵的母親及妻子，令善相者為他們相麵。
善相者說李陵妻母均無死喪之色。
後來，漢武帝果然得到了李陵降敵的消息，他十分憤怒，便召責陳步樂。
陳有口難辯，自殺身亡。
李陵一家老小也被下了獄。
李陵兵敗後，漢武帝有點後悔了，他本來是讓路博德去接應李陵的，可後來又改了主意，讓他去守西河，以致李陵孤軍戰敗而降。
現在，他很想迎回李陵。
天漢四年（前９７），漢武帝派李廣利、韓說、公孫敖等三路大軍出擊匈奴時，特地囑咐因杆將軍公孫敖要看準機會打進匈奴內部，把李陵接回來。
不料公孫敖無功而返，但他向漢武帝報告說，一個匈奴俘虜供認李陵為單於做了軍師，正在幫助匈奴訓練士卒防備漢軍。
武帝聽此消息，異常震怒，一氣之下便抄斬了李陵全家。
但是，事實上為匈奴訓練士卒的並不是李陵而是前漢邊塞都尉李緒，他投降匈奴後得到單於禮遇，於是幫助單於訓練士卒，位在李陵之上。
李陵得知全家因李緒被斬，便派人刺死了李緒。
李陵刺死李緒，單於的母親不答應了，她一定要處死李陵。
單於愛惜李陵的才能，便派人秘密把李陵送到北方藏了起來。
單於母親死後，單於又把李陵接回來。
漢武帝斬了李陵全家，也就斷絕了李陵的歸路。
從此，李陵便和衛律一樣，死心塌地為匈奴服務了。
單於十分欽佩李陵的勇敢，將自己的女兒嫁給了他，還封他為右校王。
自此以後，李陵就一直生活在匈奴之中，直到二十多年後病死，再也沒有回過中原。
我們還有必要在此說說有關司馬遷因李陵降敵而受牽連之事。
李陵兵敗降敵後，那些曾在李陵打勝仗時為之喝彩的公卿官吏們此時卻都落井下石，認為李陵有罪，當斬其妻母。
漢武帝就此事問於司馬遷。
司馬遷的父親司馬談曾為太史令（當時專管文史星曆的官職），他十歲即隨父親到長安學習經史，二十歲旅行全國，元封三年（前１０８），繼父為太史令，此時正潛心纂寫一本後世稱之為《史記》的不朽巨著。
司馬遷是一正直仗義之人，曾和李陵相識，深知李陵的為人。
所以，便坦言道：“李陵侍奉母親孝順，對待士兵守信義，為國家做事常常奮不顧身，按照他的一貫表現，有大人物的風度。
如今他帶兵打了敗仗，一些保全自己和家人的大臣都紛紛指責他，我覺得太痛心了！
李陵隻不過帶了五千步兵，深入匈奴內部，同數萬匈奴騎兵交戰，李陵的士兵用弓箭打擊匈奴，轉戰千裏，箭盡途窮，士卒們仍然赤手空拳地與匈奴搏鬥。
他能夠這樣讓士卒們拚盡死力去打仗，即使是古代的名將也不過如此。
李陵雖然戰敗了，但他的戰績也可以向天下交代了。
臣以為李陵之所以不死，一定是為了將來等待機會為漢廷效力”司馬遷這冒冒失失的實話卻無意中觸怒了有意的漢武帝。
武帝之所以派李廣利去攻打匈奴，就是給這位國舅一個立功加爵的機會，所以才派李陵為其殿後，可李陵偏要單獨出兵。
李廣利與匈奴交戰兵馬損失十之六七，漢武帝正為李陵不肯受李廣利指揮而李廣利不能打勝仗而惱火，現在李陵投降了敵人，司馬遷不僅為李陵辯護，強調李陵的戰績，還說什麼李陵降敵是為了等待時機報效朝廷，更觸著了武帝的痛處。
一怒之下，漢武帝便把司馬遷下了獄，還處以宮刑（一種摧毀生殖能力的刑罰）。
按照漢代的法律，處了刑的人是可以以錢贖罪免刑的，但司馬遷卻因家貧拿不出這筆錢。
他本想自殺以免受宮刑之辱，但想到正在寫的《史記》還沒完成，便忍受著精神的折磨，懷著悲憤的心情，堅持活下來。
在極度的思想苦悶下，司馬遷終於完成了他的傳世巨著《史記》。
在給朋友任安的信中，司馬遷寫下了這樣一段感人文字：“且夫臧獲婢妾猶能引決，況若仆之不得已乎！
所以隱忍苛活，函糞土之中而不辭者，恨私心有所不盡，鄙沒世而文采不表於後也。
……蓋西伯拘而演《周易》；仲尼厄而作《春秋》；屈原放逐，乃賦《離騷》；左丘失明，厥有《國語》；孫子臏腳，《兵法》修列；不韋遷蜀，世傳《呂覽》；韓非囚秦，《說難》《孤憤》。
《詩》三百篇，大氐賢聖發憤之所為作也。
此人皆意有所鬱結，不得通其道，故述往事，思來者。
及如左丘明無目，孫子斷足，終不可用，退論書策以舒其憤，思垂空文以自見。
仆竊不遜，近自托於無能之辭，網羅天下放失舊聞，考之行事，稽其成敗興壞之理，凡百三十篇，亦欲以窮天人之際，通古今之變，成一家之言。”
司馬遷在萬分痛苦與困難之下，以前人自勉，發憤圖強，非完成其事業不可，這種精神是值得包括曆史研究者在內的所有人學習的。