。李陵望见单于亲自在山上督战，下令张起连弩齐向单于射去。单于胆怯退下山来，召集大臣商议道：“这是汉朝精兵连战不疲，日夕引我南下，莫非另有埋伏不成？”于是决定退兵。
忽报汉军有人前来投降。原来军侯管敢被校尉笞责，竟去投降匈奴，报称汉兵并无后援，矢也将尽，只有李将军麾下及校尉韩延年部曲八百人。韩延年颍川人，即韩千秋之子。此次随李陵出征，现为校尉。
单于听后心中大喜，于是尽起兵队随后急攻。又遣精兵绕道汉兵之前断其去路，口中大呼道：“李陵、韩延年速降！”汉兵被困谷中，胡兵立在山上，四面围射箭如雨下。汉兵五十万箭一概射尽。检点士卒尚有三千余人，但手中只剩空弓如何拒敌？索性砍破车轮，截取车轴充作兵器。胡骑上山掷石，又堵住前面谷口，汉兵多被击死。
此时天色渐晚，两军休战，各进晚餐。李陵出营四望胡兵，只见漫山遍野安下营寨。李陵见了不觉心惊，自料难以逃脱，寻思良久仍回营中，左右不敢动问。但听李陵长叹一声说道：“兵败死矣。”遂命砍断旌旗并所携珍宝，就地上掘一大坑掩埋。李陵对将吏叹道：“每人再得数十箭便可脱身，今手无兵器如何战斗，与其束手待缚。不如各寻生路四散逃走，侥幸得脱尚可归报天子。”说完便传令兵士每人携带干粮二升，冰一片，各自逃生。到得夜半，李陵与韩延年一马当先杀条血路，兵士跟随出得谷中。胡骑数千追至，将李陵、韩延年围住，部下士卒早被冲散。韩延年血战而亡，李陵回顾部下只有十余人，不由向南哭泣道：“臣无颜面见陛下了！”说罢竟然下马投降匈奴。
兵士尚有四百余人逃脱，将战败情形告知边吏。边吏飞报武帝。武帝以为李陵战死，过了一时方知李陵投降。武帝大怒，召到陈步乐责问。陈步乐恐惧自杀，武帝遂将李陵之母及妻子囚系保宫。
文武百官都骂李陵，汉武帝问太史令司马迁如何处置李陵。司马迁说：
“李陵提步卒不满五千，当匈奴亿万之众，转战千里矢尽援绝，士卒犹争先死敌。今虽身陷胡中，所立战功也足表彰于天下。所以不死者，可能是等候机会立功报汉。”武帝心想，我命李广利统领大兵出征，使李陵为其援助，李陵偏欲自己逞功，以致兵败身降。于是勃然变色，命将司马迁交与廷尉办罪。廷尉奉命议定司马迁罪名，说是应处宫刑。
司马迁因“李陵事件”惨受宫刑，悲痛欲绝。为了完成先父的遗愿，为后人留下一部信史，他忍辱负重，在困厄潦倒之中发愤著书
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