战役打响后，李陵主动要求率领五千步卒，出居延海，向北深入单于王庭。30天后，李陵部队与匈奴八万铁骑相遇于浚稽山。李陵屯兵两山之间，以一当十，连战连捷，十天之内共斩杀匈奴骑兵一万余人。
按照事先的部署，他且战且退，一路将匈奴单于引向正南方的汉匈边界，在那里，将军路博德负责率军接应。但是就在距离汉朝边塞遮虏障仅剩下一百多里的时候，汉军被匈奴阻断退路，弹尽粮绝，最后只能以短刀、车辐做武器，而援兵却迟迟不至。
李陵仰天长叹:“复得数十矢，足以脱矣。”可惜上天没有给李陵翻盘的机会。子夜时分，李陵率领十几名壮士突围，被匈奴发现，数千名骑兵衔尾追击。最后关头，李陵大呼:“无面目报陛下!”于是投降了匈奴。
