匈奴大舉入侵上郡時，景帝派了一個宦官頭目跟隨李廣訓練軍隊、抗擊匈奴。這個宦官帶幾十名騎兵，與三個匈奴人戰。三個匈奴人射傷宦官，把他帶的騎兵幾乎殺光。宦官逃到李廣營中，李廣對他說：“這必定是匈奴的射雕之人”。遂帶領百騎急追，追上三人後，李廣親自射殺二人，活捉一人，果然是匈奴射雕的人。這時看見匈奴數千騎兵，他們以為李廣是誘敵的騎兵，都吃驚，立即上山列陣。李廣帶的百餘名騎兵也都驚恐，想往回奔馳。李廣說：今以百騎走，匈奴如追射，我們會被他們殺盡。現在我們留下來，匈奴必定會以為我們是為後麵大軍來誘敵的，不敢來攻擊等等。大家按照李廣的意見辦，一直到天將黑，匈奴感到奇怪，不敢攻擊他們。到了半夜，匈奴兵以為漢朝有大軍埋伏在旁邊要趁夜攻擊他們，就趕快撤走了。第二天李廣等人平安回到大軍軍營。這個事實說明李廣的勇敢和膽略都是過人的。
武帝即位後，皇帝左右的人都認為李廣是名將，於是從上郡太守調任未央宮衛尉。另一位名將程不識任長樂宮衛尉。二人風格不同，出擊匈奴時，李廣行軍無部伍編製和行列陣勢，在靠近水草好的地方紮營，休息時人人自便，晚上不敲銅鑼巡更，幕府簡化文書簿籍之事，然而到很遠的地方去放哨，從未遇到過危險。程不識對部曲的行伍、營陣要求嚴格，晚上敲銅鑼巡更，官吏辦理文書簿籍徹夜不眠，士卒得不到休息，然而也從未遇到危險。程不識說：“李廣治軍極為簡單省事，敵人如突然來侵犯，就無法阻止；他的士卒也很安逸快樂，都樂意為他效死。我治軍雖然事繁忙擾，然而敵人也不能侵犯我。”二人都是名將，然而匈奴人畏懼李廣的膽略，士卒也樂於跟隨李廣。
漢武帝反擊匈奴戰爭開始後，李廣多次以將軍身份隨軍出擊匈奴，以其武勇竟然未能立功，今把李廣出擊匈奴簡況列述如下。
元光二年（公元前134年）在馬邑之謀中，李廣為驍騎將軍，在護軍將軍韓安國統領下伏擊匈奴，因單於退去，“漢軍皆無功”。李廣當然也無例外。
元光六年（公元前129年），衛青、公孫賀、公孫敖、李廣各率萬騎擊匈奴，李廣出雁門，被匈奴俘獲，後奪匈奴士卒馬匹、弓馳歸。李廣馬亡失七千騎的公孫敖，當斬，贖為庶人。後李廣在家居數年，又被武帝召拜右北平太守。郎中令石建死後，又召廣為郎中令。武帝對李廣有很高的期望，曾賜詔書說：“將軍者，國之爪牙也。……振旅撫師，以征不服，率三軍之心，同戰士之力，故怒形則千裏竦，威振則萬物伏，是以名聲暴於夷貉，威憺乎鄰國。夫報忿除害，損殘去殺，朕之所圖於將軍也。”
元朔六年（公元前123年）春、夏大將軍率六位將軍兩次擊匈奴，廣為後將軍，無功。
元狩二年（公元前121年），霍去病率軍出隴西擊匈奴，廣以郎中令率四千騎、博望侯張騫率萬騎出右北平，二人異道。李廣行數百裏被左賢王所率四萬騎包圍，士卒皆恐，李廣令其子李敢率數十騎直衝匈奴騎兵，從其左右穿過而還，對廣說“匈奴兵容易對付”，士卒情緒才安定下來。李廣指揮軍隊列圓陣，匈奴兵急攻，矢如雨下，漢兵死者過半。箭將用完時，廣令士卒拉滿弓不射，廣以連發的大黃肩弩射匈奴副將，殺數人，匈奴兵的攻擊才緩和下來。時值天將黑，李廣意氣自如，加緊整飭軍隊，官兵都佩服李廣的勇敢。第二天，李廣又率兵奮力作戰，恰好博望侯的軍隊趕到，匈奴兵退去，漢軍沒有追擊。依漢朝軍法，博望侯張騫遲到，應處死；贖為庶人。李廣功過相抵，無賞。