漢軍依舊邊打邊推，南行不已。一日之間，漢軍費箭矢達五十萬支，幾乎把箭用盡，只得把原本裝載箭矢的兵車丟棄（這種大車還能能戰空曠地帶圍成營壘）。
苦戰至此，漢軍還有戰士三千多，戟斷矢盡，只得截斷車輻以為盾用，軍吏持尺刀，近身與匈奴追兵肉搏。
再後，漢軍殘兵進入一處狹谷中，單于指揮騎兵窮追，掩襲其後，並且登山乘高，拋砸壘石，漢軍士卒多被砸死，遂不得行。
入夜，李陵便衣獨步出營，喝止左右說：“不必跟隨我，大丈夫我要獨身生俘單于！”
李陵 畫像
良久，李陵渾身鮮血歸營，大聲嘆息道：“兵敗，死矣！”
矢盡兵竭，李陵命令戰士盡斬旌旗，和軍中所載珍寶埋於地中。拄刀而立，李陵嘆道：“如果我們再有數十支箭，足以得脫！如今我們手中沒有兵器，天明再和匈奴兵交鬥，只能是坐而受縛了。”
絕望之餘，李陵命令兵士乘夜各自為戰突圍，希望最終能夠有人得脫回報天子。
行前，李陵和士卒約定，如果大家能夠力戰有命逃回居延遮虜障(即居延以北漢軍所築之城障)，到時候再集合相見。
李陵 浚稽山之戰 圖
夜半時分，李陵擊鼓集合，鼓竟不鳴。無奈，李陵與韓延年俱上馬，各從壯士十餘人，乘夜突圍。
匈奴早有所備，精騎追兵幾千人尾隨追擊。饒是此部漢軍能戰，疲憊如斯，追兵眾多，眾寡不敵，血肉格殺之中，包括韓延年在內，幾十個漢軍盡皆戰死。
平明時分，戰場上只剩下李陵一人，面對包圍上來的數千匈奴騎兵，李陵投刀於地，太息說：“無面目報陛下！”
此時，如果有援兵稍來增援，李陵和部下殘餘漢軍都能得脫。因為李陵投刀下馬之地，距離漢朝邊塞據點僅有百餘里！
浚稽山之戰
按理說，李陵率領五千漢軍將士，橫行匈奴間，轉戰千里，且鞮侯單于應該恨極才對。但匈奴是個崇拜英雄的民族，李陵敗降匈奴後，單于非常重視，以己女妻之，立李陵為右校王。
李陵敗降消息傳到漢廷，武帝大怒。
確實，李陵的投降，到底是真降還是假降，當時後世一直爭論不休。無論如何，他的投降，確實對當時漢朝軍隊的士氣造成重大打擊。因為畢竟他是主動投降，而不是在血戰中力竭被俘。為此，漢武帝在上朝的時候聽到李陵投降匈奴的消息，勃然大怒，即刻下令逮捕了李陵全家。
群臣上書 劇照
見皇帝怒極，群臣希旨，都上書說應該對李陵宗族治罪。其間，惟獨太史令司馬遷出班力保，勸武帝說：
“陵事親孝，與士信，常奮不顧身以殉國家之急。其素所畜積也，有國士之風。今舉事一不幸，全軀保妻子之臣隨而媒其短，誠可痛也！且陵提步卒不滿五千，深輮戎馬之地，抑數萬之師，虜救死扶傷不暇，悉舉引弓之民共攻圍之。轉鬥千里，矢盡道窮，士張空拳，冒白刃，北首爭死敵，得人之死力，雖古名將不過也。身雖陷敗，然其所摧敗，亦足暴於天下。彼之不死，宜欲得當以報漢也。”
從私人關係上說，司馬遷和李陵非親非故，完全是從漢朝根本利益出發，他認定李陵之所以不死投降，不過是暫時假裝投降，日後必定會藉機重新投漢。
漢武帝當時怒火攻心，覺得李陵不戰死，使得漢朝大失臉面，而司馬遷如此言說，反襯得武帝自己本來要榮顯的外戚李廣利也很沒面子。於是，武帝認定司馬遷為李陵遊說，涉嫌誣罔，下令把司馬遷即刻逮捕，處以宮刑——中國古代最偉大的歷史大家，正是由於為李陵出頭說話而慘遭酷刑！
司馬遷 畫像
過了很久，漢武帝回過味兒來，覺得李陵確實因為失援而敗，就派使臣迎勞從戰場苦戰逃歸的李陵部下四百多人。
李陵之戰，雖敗猶榮，乃漢匈戰爭史上的一次奇計。從整體上看，大概先前打匈奴佔了便宜，武帝君臣很有些膨脹，故而天山戰役戰略部署非常草率，不僅戰略輕敵，後勤保障也非常不到位，這從李陵這樣優秀部下全是步兵就可以見出端倪。如此單薄兵力，竟然原本的計劃是牽制匈奴主力，以幾千缺乏機動性的步兵完成如此不可能的任務，顯然準備太不充分。此外，從李廣利在此戰中的表現看，這位公子哥出身的大將，完全欠缺統帥的才幹。
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