數年後（公元前99年，天漢二年秋），貳師将軍李廣利率三萬騎兵攻打匈奴右賢王于祁連山一帶，同時命李陵率五千弓弩手、步兵從居延塞北出千餘裡，意圖分散匈奴兵力，防止其全力追擊李廣利。

李陵如期抵達指定地點後回師，不料單于親率八萬大軍包圍李陵部隊。李陵軍苦戰八日，箭盡糧絕，士兵死傷過半，但也斬殺匈奴萬餘。邊退邊戰至距居延百餘裡處，匈奴截斷退路，李陵孤軍無援，被迫投降。

全軍覆沒，僅四百餘人逃回漢朝。

單于久聞李陵家族威名，又欽佩其作戰英勇，将女兒嫁給他并賜予高位。

漢廷得知李陵投降，誅滅其母、妻、子三族。

自此李氏聲名掃地，隴西舊日依附李家的門客皆以此為恥。

司馬遷評論道：《論語》有言“上位者自身端正，不下令百姓也會遵從；自身不端，即便下令也無人聽從”，這說的不正是李将軍嗎？我看李廣誠懇樸實如鄉野村夫，不善言辭，但他死時，天下無論相識與否皆為之哀恸。這難道不是因為他忠誠信義之德深得人心？諺語說“桃李不言，下自成蹊（桃樹李樹不招引人，卻因花果之美，樹下自會被踩出小路）”。此言雖小，卻可喻示大義啊！

他雙臂如猿，射術超凡，一身本領威震邊關；

解鞍布疑智退敵，圓陣禦敵破鋒镝。

戍守邊塞屢建功，随征漠北再揮師。

迷途遭貶斥，命舛終難封。

可歎一代名将啊，舉世再無第二人！