李陵以大车为营为屏障，防止匈奴军突入。其步卒列阵前行持戟盾组成密集阵，后排持弓弩在后。命令部队“闻鼓声而纵，闻金声而止。”待匈奴进入射程，汉军千弩俱发，匈奴无不应弦而倒，于是匈奴纷纷退却上山。由于地形的限制，匈奴骑兵反而跑不过步兵，汉军乘势追击，居然杀匈奴数千人。

战斗的结果让且鞮侯单于大吃一惊，他再也不敢小看这股汉军，在愤怒趋势下，他命令左右地所有部队共八万骑兵追击。汉军击退匈奴军后迅速撤退，但是步兵毕竟跑不过骑兵。匈奴军再此在一个山谷追上汉军。汉军依然采用同样的战术同匈奴军周旋。由于汉军人数少，李陵命令“卒中矢伤，三创者载辇，两创者将车，一创者持兵战”，经过激战汉军再次击败匈奴军，斩杀三千匈奴军。引兵东南，李陵巧妙地循故龙城道走了四五日，由于沿路多为山区及大泽葭苇地，地形的原因使匈奴骑兵无法实施追击。匈奴放火烧汉军，李陵亦令军中纵火以自救,。这样汉军且战且退再次向南行至山下，而此时单于已经亲率部分部队抢占了山顶，单于命令他的儿子率领骑兵从山顶向李陵军冲击。李陵反应也很及时，将部队转移到树林中，这样抵消了骑兵的冲击。此时匈奴军再次犯错，居然深入到树林中，这样骑兵的优势完全丧失，反而变成劣势，汉军步兵在树林中则灵活的多，游仞有余，这样汉军再次歼灭了数千人匈奴军。一支汉军甚至用连弩向山顶观战的单于射击，单于大惊慌忙逃走。

单于原来企图挾战胜之威一举歼灭这股孤军深入的汉军，但结果却是出乎意料，匈奴以绝对优势的兵力在五千汉军面前连连碰壁，这使单于几乎动摇了决心，他怀疑汉军是有意吸引匈奴接近边塞有埋伏的地方，但匈奴贵族们都极端不甘心这样结局，说“单于自将数万骑击汉数千人不能灭，后无以复使边臣，令汉益轻匈奴。复力战山谷间，尚四五十里得平地，不能破，乃还”

而此时汉军和匈奴骑兵连战多日。虽然汉军人数过少，情况依然危险。但汉军依然以昂扬的斗志将士气不振的匈奴骑兵击败，再次击毙二千匈奴骑兵。匈奴终于丧失了取胜的信心，已准备退军。

正当单于气馁准备放弃的那一刻，一个意外事件毁灭了李陵最后的机会。

军候管敢因犯错误被校尉责骂，居然一怒之下投降匈奴，将汉军的虚实特别是汉军没有后援的情况完全告诉匈奴。管敢的情报给几乎丧失信心的匈奴打了强心剂。管敢的投降使李陵军的形势急转而下。单于大喜，坚定了歼灭这股汉军的决心，展开疯狂的进攻。他命令骑兵部队立即对汉军发起总攻。

匈奴军毫无故忌地在山上向山谷中汉军射箭，矢如雨下。汉军拼命冲出包围，经过长途跋涉，汉军距离边塞只有百余里。但行动迅速的匈奴骑兵在离鞮汗山不远的地方再次追上汉军，而此时汉军尚剩三千余人，但是五十万箭全部用完，陷入弹尽粮绝的处境。士兵只能斩断车辐持之，军吏持尺刀，企图进入峡谷。但单于匈奴军已切断后路，汉军陷入绝境。李陵发现大势已去，感叹道：“复得数十矢，足以脱矣。今无兵复战，天明坐受缚矣！各鸟兽散，犹有得脱归报天子者。”李陵命令士兵分散突围，令军士人持二升，一半冰，约定到遮虏鄣会合。到半夜，李陵与韩延年俱上马率领跟从的壮士十几人。而此时匈奴骑兵数千人在管敢的指引下非常准确地发现了李陵本人的突围部队，这场壮烈无比的战斗次持续了很长时间，韩延年英勇战死。而李陵本人却说了一句：“无面目报陛下！”令人费解地投降了匈奴。