天汉二年（公元前99年）秋，汉武帝遣贰师将军李广利带骑兵三万出征匈奴，在天山与右贤王相遇、战斗。汉武帝在武台召见李陵，令他为李广利军监护辎重。李陵辞谢，并主动请缨率所部独立成军，牵制匈奴军队，以辅助李广利的正面作战。武帝应允，因为战马不足，所以李陵只能将步兵出征。李陵率五千名弓箭手从居延北行军一个月，在浚稽山与且鞮侯单于的三万骑兵遭遇，匈奴军将汉军围在两山之间。李陵随及向后援部队求救，可是后路主帅路博德在受到李陵的求救信号之后并没有出兵救援。

纵然没有援兵李陵依旧率领麾下的战士牵制住单于的三万骑兵，为出征匈奴的主力部队争取时间。在短短的两天之内两军的交战不下数十次，因为李陵率领的多为弓箭手，随着多次的交战弓箭已经消耗殆尽，在被围困的第三天夜半李陵与成安侯韩延年率剩余战士突围，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”遂降匈奴。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。

汉武帝在得知李陵投降的消息之后怒发冲冠，满朝文官都在谴责李陵的行为，认为他没有和匈奴决一死战是十分耻辱的，满朝文武只有太史令司马迁认为：“李陵孝顺、有信义，提步卒不满五千，深輮戎马之地，抑数万之师，虏救死扶伤不暇，悉举引弓之民共攻围之。转斗千里，矢尽道穷，士张空弮，冒白刃，北首争死敌，”古代名将也不过如此，所以他没有选择战死而是投降，必定是在寻找合适的机会报效大汉王朝，不过正在气头上的汉武帝自然是听不进去这番言论的，同时汉武帝还因此迁怒与司马迁将他处以宫刑投入大狱之中。

李陵投降匈奴一年之后，武帝派因杅将军公孙敖率兵攻打匈奴，不过无功而还。为了推脱自己的罪责，公孙敖上奏汉武帝：“臣入匈奴，捕得生口，言李陵教单于为兵以备汉军，故臣无所得。”（《汉书·李广苏建传》），这下真正坐实了李陵的背叛之名。得知这个消息的汉武帝十分愤怒，气急之下下令将李陵一家满门抄斩，李陵全家上下无一幸免。消息传到了李陵的家乡陇西之后，陇西之人都是以李陵为耻，李氏一族在当地的名声就此败落！

（影视作品中公孙敖形象）

数年之后汉昭帝即位后，大将军霍光、左将军上官桀辅政，二人与李陵交情非常好，便派李陵故人陇西任立政等三人去匈奴招降陵。李陵质问招降的使者，自己领兵五千独自面对匈奴三万骑兵，因为没有后援而全军覆没，为何汉武帝要将他满门抄斩？使者将公孙敖所说告知李陵，到这时大家才知道教匈奴练兵的并非李陵。

李陵是个十足的大孝子，作为一个遗腹之子，他是由母亲独自抚养长大的，他深知母亲的艰辛，所以对于母亲一直是十分的敬重。可是他的母亲却是这样被无辜处死，这对他的打击还是十分巨大的。后来使者依旧是劝李陵回到汉朝，但李陵说：“吾已胡服矣！”“归易耳，恐再辱，奈何！”，最后他说：“丈夫不能再辱。”表示其决意留在匈奴。李陵在匈奴二十余年，元平元年病死。因为一场败仗汉朝失去了这样一员猛将实在可惜！

李陵因为他特殊的经历成为了历史上颇有争论的人物。有人以李陵投降匈奴而不耻于他，也有人认为他敢以“步卒五千人横行匈奴”，并非怕死。“将军百战声名裂。向河梁、回头万里，故人长绝。”(辛弃疾·贺新郎)也许只有司马迁的那一番言论，才是历史对李陵的公正评价。