单于从后面追上来，又从山上滚下巨石，汉军士卒死伤惨重，无法前进。黄昏后，李陵身穿便衣，独自步行出营，制止左右说：“你们不要跟着我，大丈夫当孤身独取单于!”出去了很长时间，回来了，长叹说：“兵败，死矣!”于是将旌旗全部砍断，把珍宝埋入地下，李陵又叹息说：“如果手上再有数十支箭，也足以脱身回去呀!如今咱们兵器都没了，明天再战，只能坐而受缚，现在只能各自作鸟兽散，还能有人逃回去归报天子的。”于是下令军士每人带两升粮食、一片冰(路上当水喝)，约定到遮虏障会合。夜半时分，击鼓出发!结果战鼓也破了，敲不出声音。李陵和韩延年都上马，壮士从者数十人，匈奴数千骑兵在后追击，韩延年战死。李陵说：“无面目报答陛下!”于是投降。
汉军士卒分散逃亡，回到边塞的有四百余人。 李陵最后战败投降的地方，距边塞仅百余里，边塞将领上奏汉武帝。汉武帝希望李陵死战，后来听说李陵投降，汉武帝大怒，责问陈步乐，步乐自杀。群臣都说李陵有罪，汉武帝问太史令司马迁。司马迁极力为李陵辩护说：“李陵是个大孝子，对士卒也讲信义，总是奋不顾身以救国家之急，一向有国士之风。如今一次举事不幸，那些窝在家里保全自己和妻子儿女的大臣，就墙倒众人推，指责别人的短处，这真是让人痛心!况且李陵只带了不到五千步兵，深入满是战马的匈奴腹地，抵挡数万敌军；匈奴被打得连救死扶伤都顾不过来，将全国所有能拉弓射箭的人全部调来围攻李陵。李陵率部转战千里，箭射光了，士兵们张着空弩，冒着敌人的白刃，还跟着他和敌人死战，这不正是说明他能得到士卒们的死力报效吗？就算古代的名将，也不过如此吧!他虽然身陷敌营，但是他的战绩也足以轰动天下。他之所以不死，是找机会再报效国家啊!”