然而此时，太医令随但从长安派使者到达李广利军中送来了一个惊人的消息：内者令(官名)郭穰告发武帝丞相夫人诅咒武帝并与李广利共祷词,欲令昌邑王为帝.李广利与刘屈牦的密谋已东窗事发,六月份刘屈牦被腰斩于东市,妻子枭首于华阳街,李广利妻子亦受罪下狱。李广利大惊失色，他知道武帝的脾气。一旦回去，他将面临族诛的命运。

避罪从军下属胡亚夫劝说李广利：“夫人室家皆在吏，若还不称意，适与狱会，郅居以北可复得见乎？”

李广利只得深入匈奴以图立功，将功赎罪。于是长途行军一千余里达到郅居水上，与狐鹿姑单于主力对阵。此时汉军已离边塞很远，而且左右两路军已撤，从总体形式看，已处于孤军深入的不利态势。不过汉军战斗力极强，士气很高涨。而此时匈奴军士气低落，看见汉军大举深入，不敢与汉军对阵，居然远远撤到郅居水北。李广利派护军将二万骑度过郅居之水深入敌境。此时匈奴不能再后撤了，于是狐鹿姑单于派左贤王左大将率二万骑迎击。双方兵力相当，汉匈大战一天，结果，匈奴军大败，死伤甚众，左大将也被汉军击毙。正当汉军节节胜利时，李广利家属被拘的消息在军中传开，引起军心动荡。不少人怀疑李广利怀异心，有意深入绝地，以士兵为筹码换取立功赎罪。军长史与决眭都尉煇渠侯谋划逮捕李广利，中止他的冒险计划，但是不幸被李广利发现而被杀。李广利明白军心已不稳，只得撤兵，大军从郅居水向西转到速邪乌燕然山。

狐鹿姑单于发现汉军突然撤退，得知了汉军内情，明白汉军已军心混乱，大喜，于是率五万精锐骑兵紧紧尾追，终于在速邪乌燕然山追上了汉军。此时汉军已供给已尽，且十分疲劳，军中流传种种不详的传说，军心浮动。正当汉军准备扎营时，大批的匈奴骑兵呼啸而来，汉军只得列阵与匈奴骑兵纠缠，双方死伤惨重。尽管狐鹿姑单于想一口吃掉汉军，但匈奴骑兵一次次冲击在汉军精量的弩箭的射击下一遍编地败退。

此时天色已暗，双方才停止战斗，李广利见军队已十分疲劳，于是匆忙安营扎寨。

此时，匈奴人没有休息，而是在汉军前面挖掘一大道深数尺堑壕。李广利不明为何，但他此时方寸已乱，不知何去河从。夜深，汉军正在熟睡中，突然，杀声一片，潮水般的匈奴人从汉军营后杀入。而此时汉军犯了一个极大的错误，匆忙扎下的营寨没有设置障碍工事，也没有设置警卫斥候。汉军大乱，部队乱成一团，人们慌忙逃跑，却没想到前面是深数尺堑壕，黑夜中只听见士兵跌入发出的痛苦的喊叫。

这是北征汉军最悲惨的一夜。七万大军就这样在匈奴人的夹击下崩溃，覆灭。汉军统帅李广利走投无路，即使他能侥幸逃回去，也必定面临处死的命运，他只能可耻地向宿敌匈奴人投降。