飞将军李广之孙李陵精于骑射，礼贤下士。汉武帝认为李陵颇有李广遗风，便任命他为骑都尉，率领荆楚士兵五千人，前往酒泉、张掖教习骑射，以防范匈奴入寇。
公元前99年，李广利出征匈奴，汉武帝打算让李陵为李广利押运辎重。李陵跪于大殿中叩头请命：“臣所率屯边将士皆为荆楚勇士、游侠剑客，力能擒虎，射箭百发百中。臣愿独领一军，为贰师将军牵制匈奴。”
汉武帝面露不悦：“莫非你不愿受人节制吗？只是此次出师兵员众多，故而没有多余的马匹归你征用。”
李陵豪气冲天的回答道：“臣所部不需朝廷调拨战马，臣愿以少敌众，以五千步兵深入沙漠进攻匈奴王庭！”
汉武帝十分欣赏李陵的胆气，于是下令路博德在半路接应李陵。然而路博德耻于充当李陵的后援部队，于是上奏朝廷：“如今秋草正黄，匈奴战马膘肥体壮，不可与之交战，不如让李陵来年春天再出兵。”
汉武帝十分恼怒，怀疑李陵后悔出兵，从而教唆路博德上奏。于是命路博德于西河出击匈奴，下旨严令李陵于九月从遮虏障出塞，到浚稽山侦查匈奴大军动向。如果没有敌情，大军就驻屯在受降城待命。
李陵只好率五千步卒孤军深入，大军从居延向北徒步行军三十日，艰难抵达浚稽山扎下大营。李陵命人将沿路所过山川地形绘成地图，然后让部下返回长安向汉武帝复命。
李陵在浚稽山扎营不久，单于突率三万骑兵从两山之间包围汉军，李陵令部下用战车环绕为营。然后亲率士卒到营外列阵，前排士兵手持长戟和盾牌，阻滞匈奴骑兵冲击。后排士兵手持弓弩，只等匈奴近前，便万箭齐发。
单于见汉军兵少，直接下令冲锋，汉军近者用长戟杀敌，远者用弓箭齐射。匈奴溃不成军，死伤惨重，只好败退回山上，汉军乘势杀出，斩杀匈奴数千人。
单于没有料到汉军战斗力如此强悍，大为吃惊，于是又调集八万骑兵强攻李陵。汉军众寡悬殊，只得向南且战且退。血战数日，来到一处山谷，汉军伤兵累累。狭路相逢勇者胜，全军将士裹创再战，又斩杀敌军三千余人。
李陵率军向东南方沿着龙城故道突围，走了四五天来到一片芦苇荡中。匈奴在上风处使用火攻，李陵便在四周纵火，烧出一片空地，防止火势蔓延。
李陵余部行进至山脚下，单于大军从山顶呼啸而下，猛攻汉军。李陵火速将军队冲向树林，化解敌军骑兵优势，汉军发挥步兵所长，又杀死匈奴数千之众。汉军又向单于发射连弩，一时间矢如飞蝗，单于不敌只得败退。
李陵从捕获的俘虏口中得知，单于认为汉军兵强，匈奴无法战胜。汉军不但不乘胜出击，反而一路向南后撤，引诱匈奴追击，莫非南面有汉军伏兵吗？所以单于有退兵之意。然而单于手下却认为如果以数万之众不能战胜几千汉军，那么将来怎样威服周边部落？而且会让汉朝更加轻视匈奴，于是单于下令继续猛攻。
汉军万分危急，匈奴骑兵人多势众，两军一日血战数十回合。汉军在如此不利的情况之下，仍然杀伤敌军两千多人。
单于见久攻不下，打算撤兵，恰在此时汉军部将管敢叛降匈奴。管敢将汉军虚实统统泄露，他说李陵孤军无援，箭矢将尽。汉军前锋只有李陵和校尉韩延年各领八百兵力，只要匈奴派精兵继续猛攻，汉军必败。
单于大喜，急令大军四面围攻，并且让人喊话命令李陵和韩延年投降。匈奴从山上制高点向困于山谷中的汉军密集射击，箭如雨下。汉军拼死向南突围，还没等到达汗山，一天之内便射光了五十万支箭，汉军只好扔下辎重车，轻装上阵。
生死存亡已到最后关头，此时汉军尚存三千余人。兵器皆因战损不堪使用，只好砍断车轮的辐条充当武器，就连文官也拿起短刀和匈奴人拼命。单于亲自统兵隔断汉军退路，同时命令匈奴士兵从山顶滚下巨石，汉军死伤累累，进退不能。
战至黄昏，李陵更换便衣独自走出营垒，李陵对部下说：“诸将切莫相随，我堂堂丈夫，此去要单枪匹马擒获单于。”许久之后，才看见李陵满是落寞的身影。李陵长叹一声：“大军兵败，今日便是死期！”
李陵下令将军旗尽行斩断，随军所带所有珍宝悉数埋于地下，不留给匈奴人一分一毫，李陵已经做了最坏的打算。时间一点一滴流逝，李陵不无遗憾地说：“如果现在我有数十支箭在手，足以带领众将士杀出一条血路。
可惜我们如今弹尽援绝，无力再战，与其坐等天亮束手就擒，不如大家各自突围，寻一条活路。或许还能侥幸生还长安，向陛下言明今日战况。”
李陵随即下令士兵每人携带两升粮，一块冰，各自向遮虏障突围。半夜时分，李陵和韩延年跨上战马发动最后一次冲锋，相随者仅有壮士十余人。
在与匈奴骑兵拼杀中，韩延年战死，李陵仰天长叹一声：“臣死无面目报答陛下天恩！”在山穷水尽之下，眼含热泪降于匈奴。后来逃回塞内的汉军仅