李陵与韩延年一同上马，十多名壮士和他们一道冲出。匈奴派出数千骑兵紧追，韩延年战死，李陵长叹：“我无脸面去见陛下呀！”只得向匈奴投降。他的部下四散逃命，成功逃到边塞的仅有四百余人。

李陵兵败之处离边塞只有百余里，边塞的官兵把情况报告到了汉朝廷，汉武帝料想李陵已战死，就把他母亲和妻子召来，要相面的人来看，却说他们脸无死丧之色。

后来才得知李陵已降匈奴，汉武帝因此大怒，责问陈步乐，陈步乐害怕被追责受刑，于是就自杀了。文武百官都骂李陵，汉武帝以李陵之事询问太史令司马迁的意见，司马迁为李陵辩解道：“李陵服侍母亲孝顺，对士卒讲信义，常奋不顾身以赴国家危难。他长期以来养成了国士之风。如今他一次战败，那些为保全身家性命的臣下便攻其一点而不计其余，实在令人痛心！况且李陵提兵不满五千，深入匈奴腹地，搏杀数万之师，敌人被打死打伤无数而自救不暇，又召集能射箭的百姓来一起围攻。他转战千里，矢尽道穷，战士们赤手空拳，顶着敌人的箭雨仍殊死搏斗奋勇杀敌，得到部下以死效命，就是古时的名将也不过如此。他虽身陷重围而战败，但他杀死杀伤敌人的战绩也足以传扬天下。他之所以不死，是想立功赎罪以报效朝廷。”

起初，汉武帝刘彻派李广利率领大军出征，只令李陵协助运输，后来李陵与匈奴单于主力战斗，李广利却少有战功。

天汉四年（前97年），汉武帝刘彻再发天下七科谪戍，及四方壮士，分道北征。贰师将军李广利，带领马兵六万，步兵七万，出发朔方，作为正路。强弩都尉路博德，率万余人为后应。游击将军韩说，领步兵三万人出五原，因杅将军公孙敖，领马兵万人，步兵三万人出雁门。各将奉命辞行，汉武帝独嘱公孙敖道：“李陵败没，或说他有志回来，亦未可知。汝能相机深入，迎陵还朝，便算不虚此行了！”

公孙敖遵命去迄，三路兵陆续出塞，即有匈奴侦骑，飞报且鞮侯单于。且鞮侯单于尽把老弱辎重，徙往余吾水北，自引精骑十万，屯驻水南。待至李广利兵到，交战数次，互有杀伤。李广利毫无便宜，且恐师老粮竭，便即班师。匈奴兵却随后追来，适值路博德引兵趋至，接应李广利，胡兵方才退回。李广利不愿再进，与路博德一同南归。游击将军韩说，到了塞外，不见胡人，也即折回。因杅将军公孙敖，出遇匈奴左贤王，与战不利，慌忙引还。自思无可报命，不如捏造谎言，复奏汉武帝。但言捕得胡虏，供称李陵见宠匈奴，教他备