天漢二年（前99）九月，與韓延年領五千步兵進攻匈奴，牽製匈奴軍力，以協助李廣利的西路作戰。在浚稽山遭遇單於主力三萬騎兵，轉鬥殺傷敵人甚眾。於是單於調遣左右王庭八萬人，李陵軍且戰且退，至長城百裏處。最終因為箭矢用盡，沒有援軍而戰敗，被敵人包圍後突圍失敗，投降匈奴。單於將女兒嫁給她，立他為右校王。
征和三年三月，李陵率領匈奴軍三萬騎在浚稽山追擊漢朝軍隊，被禦史大夫商丘成帥兩萬人擊敗。
始元年間，霍光與上官桀遣隴西任立政等三人出使匈奴，迎李陵還漢，被李陵拒絕了。
始元五年，蘇武返回漢朝，李陵送別，並作《別歌》。六年二月，蘇武抵達漢朝。
元平元年，李陵病逝於匈奴。
李陵的悲劇
在中國漫長的曆史中，忠臣無數，而奸賊亦不少。前者受千古景仰，後者遭萬世唾棄。然而，有一個人卻能在忠奸分明的帝製時代，雖變節卻又被深深同情。這個人就是李陵。
李陵身上糾結著太多的大命題：家和國，軍人和文人，背叛和守節。他用盡一生的氣力，在國家和個人的矛盾衝突中，做著艱難的選擇。他的命運也連接著若幹重量級人物：漢武帝、李廣、衛青、霍去病、司馬遷、蘇武。
公元前99年的秋天，漢武帝令貳師將軍李廣利率領三萬鐵騎從酒泉出發，征伐匈奴。此時的李陵正擔任騎都尉，率領丹陽和楚地的五千人在酒泉、張掖一帶教習射箭之術，以防備匈奴。
戰役打響後，李陵主動要求率領五千步卒，出居延海，向北深入單於王庭。30天後，李陵部隊與匈奴八萬鐵騎相遇於浚稽山。李陵屯兵兩山之間，以一當十，連戰連捷，十天之內共斬殺匈奴騎兵一萬餘人。按照事先的部署，他且戰且退，一路將匈奴單於引向正南方的漢匈邊界，在那裏，將軍路博德負責率軍接應。但是就在距離漢朝邊塞遮虜障僅剩下一百多裏的時候，漢軍被匈奴阻斷退路，彈盡糧絕，最後隻能以短刀、車輻做武器，而援兵卻遲遲不至。
李陵仰天長歎：“複得數十矢，足以脫矣。”可惜上天沒有給李陵翻盤的機會。子夜時分，李陵率領十幾名壯士突圍，被匈奴發現，數千名騎兵銜尾追擊。最後關頭，李陵大呼：“無麵目報陛下！”於是投降了匈奴。
李陵以五千軍士力抗匈奴八萬驍勇之敵，堅持十餘日，不可謂非奇跡，不可謂不盡力，然而李陵卻最終沒有實現其“吾不死，非壯士也”的諾言。浚稽山一役證明了李陵的軍事才能，而最終的結局卻使他背上了“漢奸”的罵名。
得知李陵戰敗投降後，漢武帝大怒。群臣皆言李陵有罪，隻有司馬遷說：“李陵平時孝順母親，對士兵有恩信。”他之所以不死，一定是想尋找適當的機會再報答漢室。
盛怒之下的漢武帝將司馬遷打入大牢，隨後處以腐刑，史稱“李陵事件”。
如果李陵當年戰死或者自盡，他必然會成為一個千古流芳的英雄。如果，李陵全心全意地歸附了匈奴，做個“漢奸”，倒也簡單。可他卻走上了一條終日承受良心煎熬的不歸路。
李陵初到匈奴時，“忽忽如狂，自痛負漢”，然而，不被漢朝包容的李陵在匈奴卻得到了單於的禮遇，不但把自己的女兒許配給他，還封李陵為右校王。公元前90年，李陵奉單於之命率3萬匈奴精兵追趕漢軍疲兵，竟然又一次來到浚稽山。可是這支驍勇善戰、以逸待勞、乘勝追擊的精銳騎兵，轉戰9日卻最終無功而返。以李陵的軍事才能，和他對浚稽山地形的熟悉程度，這難道不令人奇怪嗎？