天汉二年(前99年)秋，汉武帝遣贰师将军李广利带骑兵三万攻打匈奴浚稽山之战，想派李陵为李广利军监护辎重。李陵坚决辞谢，表示愿率所部直捣单于主力。武帝应允。李陵率五千名弓箭手从居延北出发，不久匈奴且鞮侯单于以三万骑兵围困李陵军于两山之间。汉军以辎重车为营，布阵于营外，前列士兵持戟盾，后列士兵持弓箭。匈奴见汉军人少，便向汉军进攻，结果遭到汉军千弩急射，匈奴兵应弦而倒，被迫退走上山，汉军追击，杀数千人。单于大惊，急调左右部八万余骑攻打李陵，李陵且战且退，士兵伤重者卧于车上，伤轻者推车，再轻者持兵器搏战。李陵说：“吾士气少衰而鼓不起者，何也？军中岂有女子乎？”(《汉书·李广苏建传》)原来刚出征时，一些关东盗贼的妻子因迁徙而随军，为士卒妻妇，藏于车中，后被李陵发现，全部处斩。第二日再战，斩首三千余级。

行十余日，抵一大泽中，泽中多芦苇，匈奴顺风放火，汉军亦纵火，预先烧周围的芦草以自救。退至某山，单于派兵攻击，李陵与匈奴兵步战于树林中，斩杀数千人。又发连弩射单于，单于逃走。单于见李陵部卒勇锐，久战不下，又渐近汉塞，便问部下：“此汉精兵，击之不能下，日夜引吾南近塞，得毋有伏兵乎？”诸将说：“单于自将数万骑击汉数千人不能灭，后无以复使边臣，令汉益轻匈奴。”于是再战。

当时，两军一日战数十次，汉军又伤杀匈奴二千余人。匈奴见形势对已不利，便想退兵。这时汉军军侯管敢被校尉侮辱，气愤之下投降匈奴，说：“陵军无后救，射矢且尽，独将军麾下及成安侯校各八百人为前行，以黄与白为帜，当使精骑射之即破矣。”(《汉书·李广苏建传》)单于大喜，于是便派骑兵合攻汉军，并大声疾呼：“李陵、韩延年趣降！”(《汉书·李广苏建传》)汉军在谷中，匈奴在山上，四面对射，矢如雨下。汉军南撤，未至鞮汗山，一日五十万矢皆尽，即弃而去。此时，汉军尚有三千余人，以短刀，车辐为武器，退至一峡谷内，被匈奴阻断后路。单于隐藏在汉军身后，在角落里向汉军投石，汉军多数战死，无法前行。

黄昏后，李陵穿便衣独步出营，良久而还，长叹说：“兵败，死矣！”军吏说：“将军威震匈奴，天命不遂，后求道径还归，如浞野侯为虏所得，后亡还，天子客遇之，况于将军乎！”李陵说：“公止！吾不死，非壮士也。”(《汉书·李广苏建传》)于是斩尽旌旗，将珍宝埋于地中。李陵慨叹说：“复得数十矢，足以脱矣。今无兵复战，天明坐受缚矣！各鸟兽散，犹有得脱归报天子者。”夜半李陵与成安侯韩延年率壮士十余人突围，被匈奴数千骑兵追击，韩延年战死。匈奴招降李陵，李陵曰：“无面目报陛下。”(《史记·李将军列传》)遂降匈奴。其部几乎全部战死，仅有四百余人回到了汉境。

这场战役李陵以步兵与匈奴骑兵抗衡，孤军苦战，充分发挥了远射兵器弓、弩的作用，杀伤匈奴骑兵万余，其战术运用和战役指挥是成功的。但是由于汉军未能对李陵部实施必要的接应和支援，实力相差悬殊，最终造成李陵几乎全军覆灭。