李陵的一個部下，受了他上級的侮辱，一怒之下投靠了匈奴的單於，叛逃了，然後，就報告給單於兩個重要的絕密軍情：第一，李陵沒有後援部隊，你可以放心地打；第二，李陵的這個步兵之所以能夠打，主要依靠的是他有一種可以連發連射的弓箭，叫弩機，它就是一種弓箭的升級改造版本，這個箭是用機器發射，可以連發連射的，說他弩機的箭快要用完了。
聽了這樣的情報，匈奴的單於覺得有希望了，他立刻召集軍隊對李陵發動總攻。李陵被困在山穀裏。匈奴在山上，從四麵八方向他們射箭。李陵率兵士一麵抵擋如雨的飛箭，一麵向南突圍，50萬支箭很快用光了，剩下的三千士兵棄了軍車，砍下車輻當做武器，軍官們用短刀與敵軍搏鬥，他們走進了峽穀。單於率兵趕來，封住了峽穀的出路，並且命令士兵借著山體的掩護向穀中投大石頭，李陵軍躲閃不及，死傷慘重，無法繼續與眾多的匈奴兵力抗衡了。
這天黃昏，李陵脫下戎裝，換上便表獨自走出營寨，他要憑自己一個人的力量去取單於的首級，許久許久，李陵都還沒有回來，將士們忐忑不安地等待著、猜測著，十分擔心他的安危。終於，他回來了，手中空空，滿臉悲憤之色，“敗了，失敗了！該死啊！”他長歎一聲，望著麵前隨他出生入死的將士們，他覺得心裏有愧。可是局勢已經發展到了這個地步，他李陵已經無法挽回了，其實，這能怪他無能，能怪他沒有盡力嗎？以五千兵力，與八萬敵軍抗衡，周旋於敵軍的領地，前有強敵，後無援軍，五千將士孤軍奮戰，殺敵無數，已經耗盡了所有的氣力。
可是朝廷呢？竟然對他們的生死不聞不問，此地距漢朝的邊境不過一百來裏了，李陵軍死戰峽穀的消息早傳到了漢廷，可是漢武帝竟沒有派一兵一卒去支援他們。麵對慘局，李陵滿心悲憤。一名軍吏勸他投降，被李陵嚴厲拒絕，最後，李陵認為讓大家與其在這裏等死，還不如去突圍碰碰運氣，也許真活下來了呢？想著，他便分給將士每人二升幹糧，一片冰，準備在晚上開始行動。
到了夜半時分，李陵和他的副手上了馬，向峽穀的出口衝去，後麵僅僅有十多個人跟隨著，敵軍卻有數千人追了上來，一番殊死搏鬥之後，他的副手戰死了，李陵自歎無顏再見天子，遂下馬投降了。
李陵兵敗投降的消息傳到漢武帝耳中的時候，漢武帝非常震怒，而那些朝廷大臣們，看著漢武帝生氣，又轉過來紛紛咒罵李陵，說李陵本來就不是個好人。
這個轉變，讓司馬遷感歎：官場真是殘酷，毫無公道可言。當初武帝不肯給李陵足夠的兵力，李陵不在意，以五千步兵，就孤軍深入匈奴主力，並接連打了這麼多勝仗。
雖然他在久等不到後援的情況下，含恨投降，但總算保全了四百個部下逃回來了。算算李陵以五千步兵，麵對超過他十倍的匈奴，還能殲滅將近兩萬的敵人，這等戰果，比起這場戰爭的主力——李廣利，他以三萬兵力，隻殺敵一萬，不知要超出多少？何況李廣利被匈奴截殺，最後突圍出來，還損失了一萬八千多個士兵！
司馬遷覺得李陵雖敗猶榮，李廣利雖勝猶敗。
司馬遷感到更看不順眼的是，那些身負國家重任的大臣，對李陵失敗的原因和李陵的戰功，應該看得比自己清楚，可他們卻隻會投武帝所好，在李陵失利的時候，落井下石，無中生有地辱罵李陵。