这场战斗终于结束，汉军步兵五千人仅有四百人突围逃到百里外的遮虏鄣。而匈奴军付出的代价更为惨重，死亡人数竟然逾万。

实际上以李陵五千步兵在没有后援的情况下深入匈奴腹地千里面临匈奴八万骑兵的围攻，其覆灭的命运从一开始就可以说定了下来。但令人惊奇的是李陵居然坚持了那么长的时间，大小打了数十战居然毫不落下风，杀敌过万，确实是一个奇迹。这一方面是李陵表现了战术天才，汉军士兵也表现出极为顽强的战斗力。

从匈奴来说，显然开始太轻敌了，居然在山地不明智地同汉军纠缠，使得匈奴骑兵和人数上的巨大优势根本无法发挥，而且后面基本上是被汉军牵着鼻子在对匈奴不利的地形上战斗，因而出现八万骑兵对五千步兵居然落下风的笑话，若不时汉军没有援军加上官敢叛变说不定这支人数少的可怜的汉军会全师而退。也许是且鞮侯单于轻易击败李广利的主力汉军对李陵这支偏师太掉以轻心了。假如且鞮侯单于头脑不发热，不急于进攻，而是等待汉军到平地上在突击肯定对匈奴有利的多。

另外一路因杅将军公孙熬与强弩都尉路博德的部队扑空，未发现任何匈奴部队空手而还。

这样，天汉二年秋天的天山-东浚稽山战役以汉军的惨败而拉下帷幕。汉军总共损失二万五千人（李广利损失二万人，李陵五千人全没）。匈奴再次赢得了胜利，但是，且鞮侯单于很可能笑不起来，这个胜利对匈奴而言是个皮洛士式的胜利。匈奴自身损失居然超过二万人（李陵部造成匈奴一万人的损失，天山战役第一阶段李广利部杀匈奴一万，第二阶段双方混战匈奴人即使按照最保守的估计也达五千人左右），很可能与汉军损失一样。这对匈奴这样一个人力极端匮乏的民族来说，这样拼下去，距离亡国灭种也不远了。

天山战役战略部署很草率，几同儿戏。战略轻敌，后勤保障不力，特别李陵全部是步兵，原意是想牵制住匈奴主力，但由于兵力过于单薄，又无后援，这几千缺乏机动性的步兵实际上并没有对全局起到什么作用，反而成为匈奴的盘中餐。尽管李陵部英勇善战，但从布局一开始就决定其覆灭的命运。出兵的季节也不利，实在看不出来汉有什么迫不得已的原因非要在秋季出兵。汉庭上下充满轻敌情绪，李陵出兵前也信心满怀地认为凭借五千步兵就能涉单于庭；而李广利在此战中的表现只能证明他实在不合适作为大军的统帅。

李陵的投降也是一个让后世争论不休的话题。有人认为他其实是假投降，真实意图是想效仿春秋时曹柯之盟为汉立功，假如他真是这样想的话，那么他完全错了。汉匈开战以来尽管有高级将领被俘，如赵破奴，但被俘和投降是有区别的，赵破奴被俘后，其家属未受任何牵连，他逃归后，并未受任何责备。李陵却是第一个投降的高级将领，不管是真投降还是假投降，毕竟这对汉的士气打击极大，也难怪汉武帝对李陵投降事件大发雷霆，下令拘留他全家。到了后来由于误听公孙敖“李陵教单于为兵以备汉军”的传言，汉武帝一怒之下杀死李陵全家，结果使假投降变成真投降。无论如何，李陵后来还参与匈奴对汉作战（下文要介绍的速邪乌燕然山战役），这样的事实使得为他的辩护词变得苍白无力。