单于获得这个宝贵的情报，犹如死而复生。在没有后顾之忧并深知汉军底细的情形下，他再度发动猛烈攻势，而且边战边指名大叫：“李陵、韩延年快来投降吧！”
李陵被困在山谷当中，匈奴在山上占尽了地形优势，箭像雨一般从四面八方射过来，但李陵还是神勇地突围继续南下。可是还没到鞮汗山，箭已经全部用完了，人只剩三千多，他们只好弃了军车，把车轮拆下来，以车轮上撑着轮圈的直木作为武器，军吏手持短刀，一边战一边走。当他们到达鞮汗山进入了峡谷的时候，单于由于熟悉地形，绕道抄到了李陵前面，从李陵必须要经过的路的山上角落处投下石块，士兵被打死不少，而且几乎不能前进。
黄昏后，李陵一人穿着便衣独步出营，交代左右的人不要跟随，说他要一个人把单于抓来。可是过了许久，李陵却丧气地回来，叹息道：“兵败，死矣！”
部下劝慰着说：“将军威震匈奴，现在只不过是运气不好罢了。以后再想办法回去就是，当年的赵破奴战败后被匈奴所虏，后来逃回，天子还不是对他很礼遇，何况是将军您呢？”
虽没有明说，但李陵部下的意思很清楚，是在劝他暂时先投降再作打算。李陵断然地回答说：“请不要说了，我如果不死就不是壮士了！”
李陵当下就把所有的旌旗砍断，连同随军所带的贵重东西全部埋到了地下。然后感慨地叹道：“只要再得几十支箭就足够我们突围，可惜我们现在没兵器可战！天亮以后，恐怕只好坐着等受缚了！我看现在大家不如分散突围，有逃得出去的，还可以回去向天子报信。”
于是他发给士兵每人两升干粮，并要他们带一大块冰，等渴的时候吃，期望逃出后到遮虏障（即居廷）会合。
等到半夜要敲鼓准备出发时，鼓却敲不响，这似乎不是好兆头。李陵和韩延年上马，跟随的有十多名壮士，后面立刻有数千匈奴骑兵追赶过来，没多久韩延年就战死了。李陵叹一声：“没脸见天子了。”只好投降匈奴。
主将被擒，匈奴大概也没再彻底搜寻残兵，因此有四百多人逃回了边塞。
这就是李陵投降匈奴的经过，我们暂且不说这事件发生以后，司马迁在汉武帝面前所表示的意见及因而受到酷刑的悲惨遭遇。先就客观立场来分析造成这个结果的因素。
有人说李陵之所以兵败被俘，是因为他逞英雄，只以五千步兵孤军深入，犯了兵法上“轻兵逐利”的毛病。又说在沙漠作战，竟以步兵对骑兵，显然会吃亏。李陵出身将门而明知故犯，当然要败。
这个说法如果是先假设打匈奴只是李陵他家的事情的话，那还相当有道理，但一去掉这个不可能的假设而求诸事实，则这个说法对李陵实在是天大的冤枉！
没错！“五千步兵”“孤军深入”都是李陵自己说的，他为什么要惹这个麻烦、冒这个险？说他是逞英雄，也没错，他是不甘作李广利的“牛后”！可是我们帮他想想，如前面所说过的，像李广利这么蹩脚的“大”将军，有哪个有志气有才能的人，愿意老是屈居在他下面，何况是名将之后？此其一。
而李陵之所以会由“愿自当一队”逞英雄，进一步变成“五千步兵”，是因为汉武帝表示“出兵太多，无骑兵可派”，所以李陵才会要求只需要五千步兵就可以了。而事实上李陵在酒泉、张掖练兵的时候，他的官职是“骑都尉”，他何尝不想要骑兵？只是既然已说要自当一队，一听没骑兵就退却，岂是李广的孙子所愿意做的？此其二。
我们再看汉武帝所说的“出兵太多，无骑兵可派”是不是属实。那年是天汉二年（公元前99年），这时候的汉朝当然已无法像二十年前大将军卫青、骠骑将军霍去病“各将五万骑，私负从马（私人自行装备，非政府发的）复四万匹，步兵转者踵军后又数十万人”那种大排场，可是也没窘到只因发了三万骑兵给李广利作为主力，就再派不出骑兵的地步。
这件事发生在秋天，而天汉四年春天，也就是只隔一年多以后，汉武帝又出兵攻打匈奴，发出的骑兵有李广利六万、公孙敖一万，此外，路博德的一万余可能也是骑兵，一共就有七八万之多，难道都是在一年之间突然冒出来的？可见汉武帝说发不出骑兵并不是实话；何况李陵自负其能，要求也不会多，而且既然言明是出奇兵，只求牵制对方，也不可能要多，分明是汉武帝故意不给，此其三。
又当李陵的豪语获得汉武帝赞许而赋予任务的时候，汉武帝还知道要路博德在中途接应李陵，后来因为路博德不愿意，上奏书而引起汉武帝误会，汉武帝竟然马上把路博德调到距离李陵预定回军路线很远的西河郡，而仍然要李陵孤军深入敌境，因此可以说汉武帝在误会、盛怒的情况下，撤销后援部署，根本是要李陵“好看”——你说你行，我倒要看看你有多行！也等于是要他去送死，这一点也并非不可能。试想，他既能莫名其妙地“宠”李广利那种庸才，当然就有可能“整”李陵这种良才，此其四。
李陵自愿牵制单于兵力时，是说“到兰干山南以分单于兵”。兰干山在哪里，著《汉书》或《通鉴》的人都没有说明，但摊开地图看看，后来汉武帝命李陵去的浚稽山，已经接近今蒙古的最北边。汉武帝伐匈奴，从未超过这里，兰干山不可能在更北边。而汉武帝之所以会要他去浚稽山，是由于路博德的奏书说，秋天不适合出兵攻打匈奴，希望来春再和李陵合攻浚稽山。我们揣摩他的心理，他上奏书的目的是想免去为李陵接应的“小”任务，他另外提出非接应而是合攻的建议，自然要比原来的艰巨些，所谓艰巨就是比兰干山更深入北方，更接近单于，依此可知兰干山应在浚稽山的南面，也就是说汉武帝不但取消李陵北攻的接应部署，而且还因误会李陵为了逃避原先承诺的任务，教路博德吹更大的牛，就索性让他到他“吹”得更大的浚稽山去。这样一来，接应没有了，征途反而更远，李陵又能怎么办？此其五。
讲述完李陵败降后，《汉书》记载当时汉内部的情形说：李陵兵败处，距边塞一百里左右，边塞把这消息向汉武帝报告。汉武帝听了，心里希望李陵能够死战，但又不知李陵是不是会战死，就把他母亲和妻子召来，叫算命的为她们看相，算命的说看不出有“死丧”之色。后来果然又传来李陵投降的消息，汉武帝非常愤怒，就责问早先李陵派遣回来报告前线顺利并因而被封为郎的陈步乐，把步乐吓得自杀了。从这段记载可以看出李陵败降之前，汉武帝就已经知道他陷入必须拼死的苦战，也知道战场离塞外只有一百多里，而一百多里对骑兵来说根本只算短距离作战。他不但不马上派兵驰援，反而有闲工夫叫算命的来看看李陵会不会战死，这种一开始就预备他死，最后又巴不得他战死的“死亡任务”，李陵实在是没有办法完成，此其六。
这又是为什么呢？这就是本书开头就已经描述的，在一种偏差的地域观念下所造成的关西军人的悲剧！在这个悲剧中，皇帝可以为了捧一个外戚，花一年多的时间为他筹集出征所需的“行当”，弄得天下骚动；打败回来只气到不准他进关，然后又让他风风光光再度出征；出征时早就有十几万部队放在边地作预备队；出征后，都已经快回到国门了，还要派兵出去支援。可是却不肯为一个关西名将的后代发骑兵、派后援，最后还让边塞若无其事地等待百里外传来勇将的死讯。
汉武帝真是这样逼使李陵兵败异域吗？不是的，《汉书》记道：“久之，上悔陵无救。”请注意此处用的是“悔”字，所谓悔，就是该做而没做所造成的懊恼。汉武帝后悔没给李陵救援！他醒悟到，路博德的奏书是关键所在，汉武帝说为李陵安排后援，应当等李陵出塞后，再下令路博德负责去接应李陵就可以。当初就是因为预先下令，所以才让路博德这个老将有机会耍奸诈！
但是后悔根本无济于事，汉武帝的多疑和果于诛杀，使这个悲剧愈演愈烈，终于使李陵流落北地，永远当不成汉人了。而后悔之前，汉武帝已经在同一件事情上制造了另一个悲剧人物——司马迁。