司馬光在《資治通鑑》中記載，公元前99年即漢武帝天漢二年，夏季五月。

李陵與單于帶領的匈奴軍隊在浚稽山相遇，匈奴大約有三萬騎兵把李陵的部隊圍住，李陵在兩山之間駐兵，將戰車圍起當作營寨。李陵親自帶領士卒在營外排成列陣，前排士兵手拿戟、盾，後排士兵手持弓、弩。匈奴兵看到漢軍人數少，於是直接逼近營前陣地。李陵率漢軍弓弩同時射發，匈奴士兵紛紛倒地，沒有辦法只能退回山上，漢軍繼續追擊，殺死了幾千匈奴士兵。單于大驚，召集左、右兩翼軍共計騎兵八萬多人前來圍攻李陵。李陵帶領部下邊戰邊往南撤，途中又斬殺三千多匈奴士兵。繼續南撤途中又殺死幾千匈奴士兵，經過十多天的激戰，這時候漢軍的處境更加兇險。匈奴騎兵人馬眾多，一天之內交戰數十回合，漢軍又將二千多匈奴士兵殺傷。匈奴作戰失利，打算撤兵離去。但就在這個時候，李陵軍中的一個軍侯敢管，因被校尉欺辱，逃跑到匈奴軍中投降，將漢軍實情說出：李陵軍隊並沒有後援，箭矢馬上就要用光，只剩下李陵部下和韓延年所屬部隊各八百名士兵在前面導路，用黃旗白旗當作標誌。應該派出精銳騎兵用弓箭將他們射殺，漢軍很快就會被攻下。單于大喜，向漢軍發起猛攻，同時命人大喊：李陵、韓延年趕快投降！李陵繼續向南退去，還沒有抵達鞮汗山，一天中五十萬支箭全部用光，只能拋棄輜重車輛，繼續前行。將士只能將車的輻條砍下當武器，漢軍退到狹谷中，單于親自帶領軍隊截斷了漢軍退路，把山上的巨石推下，砸死了好多漢軍，使漢軍無法前行。黃昏之後，李陵身著便衣獨自一人走出軍營，喝止左右隨從說：不要跟隨我，我要一個人生擒單于！過了很久，李陵返回營中，嘆道：我們已經失敗，就要喪生此地！因此把全部的旌旗砍倒，和珍寶一起埋下。李陵嘆息道：如今沒了武器，再戰下去，天亮之後，就只能等著被捉，倒不如各自逃命吧，也許還有人能逃回去上報天子。因此叫每人帶二升乾糧，冰一塊，約好到遮虜障會合。半夜時分，李陵與韓延年一起跨上戰馬，十幾名壯士跟隨他們突圍，幾千名匈奴騎兵在後面追趕，韓延年戰死。李陵說道：我已經沒臉回報陛下了！於是向匈奴投降（權宜之計，待機返回漢朝）其餘的人四散突圍，逃到邊塞的有四百多人。

李陵兵敗，邊塞將領把此事上報給朝廷，漢武帝本以為李陵能夠拼命戰鬥，聽說李陵投降了匈奴，十分憤怒，滿朝大臣都以為李陵有罪，漢武帝詢問太史令司馬遷的意見，司馬遷為李陵爭辯，被漢武帝認為是胡說，對司馬遷施以宮刑。

事情過了很久，漢武帝對之前讓李陵陷入孤立無助境地的事情終於有所悔悟，因此派使臣安慰賞賜逃回來的李陵餘部。

公元前81年漢昭帝派人到匈奴接蘇武回漢，李陵設宴祝說：現在你可以返回中原，在匈奴名聲傳遍，對漢功勞卓著，就算是史書記載描述的人物，又如何超過你！雖然我愚蠢膽小，要是當初漢朝可以饒怒我，保全我的母親，讓我可以忍辱負重，春秋時期曹劌挾持齊桓公於柯盟的壯舉，原本就是我當時一直不忘的志願。哪裡能想到漢朝居然將我滿門抄斬，這是當世最為殘忍的殺戮，我還能有什麼顧念呢！如今一切都已結束，只是希望你瞭解我的心意而已！李陵說完淚流滿面，辭別了蘇武。

漢昭帝特別派李陵舊時的朋友任立政等三人，一起到匈奴去勸說李陵返回漢朝，李陵對他們說：回漢朝去是很容易的，但是大丈夫不能受兩次侮辱！最終就老死在匈奴。

李陵的投降匈奴，漢武帝是有責任的，怎能讓五千人，身飼虎口，又不派人接應，使其孤軍作戰，寡不敵眾，沉淪朔漠，皆武帝輕使之咎，這是其一。李陵雖兵敗，但殺敵在萬人以上，未必是真投降，殺李陵全家，叫李陵怎麼返回漢朝，這是其二。遷怒於司馬遷施之宮刑，這是其三。

李陵投降也是迫不得已，其實李陵出征時帶著五千荊楚勇士都是漢軍精銳。

公元前99年，漢武帝的愛妃李夫人的哥哥貳師將軍李廣利領兵討伐匈奴，另派李陵押運輜重，只是李陵本是輔助李廣利的部隊，沒想到卻遇到了匈奴單于的三萬主力騎兵。李陵軍駐紮在兩山之間，以大車作為營壘，李陵領兵衝出營壘擺開陣勢，前排持戟和盾，後排用弓和弩，且戰且退，殺的匈奴人仰馬翻，折損千人，匈奴單于看到手下三萬鐵騎打不敗五千弩兵，異常暴怒，先後調集八萬騎兵來圍剿李陵軍團，戰鬥打的已進入白熱化，每天從漢軍團中射出的弩箭有十萬支，戰況的慘烈難以描述。

最後，在於匈奴單于的八萬騎兵鏖戰十天後，漢軍在箭矢耗盡，外無援軍的情況下，陣營被匈奴單于的鐵騎攻破，大將李陵被迫投降匈奴。