然而，汉武帝对他的眷顾之心仅止于此。因为路博德一纸上奏，汉武帝怀疑李陵反悔，一怒之把路博德调往别处，让李陵孤军出塞，去浚稽山南面龙勒水一带观察敌情。
一开始还算顺利，发军、扎营、绘制地图，甚得武帝欢心。但是后来，李陵在浚稽山遭遇到单于主力，被匈奴三万多骑兵包围。李陵率领五千兵士去对抗匈奴三万骑兵，依然战得漂亮，竟斩杀敌军近万人！
然而，以少击多，最忌后援无力。
李陵一部被斩断退路，困于山谷中。士兵死伤过半，箭矢已消耗殆尽，军吏们只剩短刀可用，有些赤手空拳的士兵甚至只能斩断车轮条幅当武器。这样少的人，这样简陋的武器，又是孤军深入匈奴领地，如何对抗人数超万、武器齐全、粮草供应充足的匈奴大军？战至最后，更是再无任何武器可抗敌。
有人劝他投降，他却说：“我不战死，不为壮士！”
他命令将士们每人拿上两升干粮，一大块冰，准备夜半时分突围。这是最后一搏，明知不可能抗得过，他还是希望能有人趁机逃回去报告武帝。
战至最后，李陵投降被俘。
再后来，汉武帝得知李陵投降一事，大为震怒。满朝文武，只有司马迁敢于直言为李陵辩护，却