李陵是名将李广的孙子，少年英勇，尤其擅长射箭，为人谦让有礼，仁爱下士，很受人们敬重。汉武帝见其颇有李广遗风，就封他为骑都尉，让他率5000名士兵驻守酒泉、张掖一带。
后来，汉武帝又派将军李广利出兵酒泉，下令李陵押解辎重，随军北上。李陵不愿跟在别人后面，就赶到长安，向汉武帝禀报说：“我的部下都是英勇善战的精兵，养精蓄锐多时。我情愿独当一面，分击匈奴。”汉武帝有点生气地说：“你不愿跟从李广利将军么？我已发兵完毕，没有多余的兵卒给你了。”李陵奋然道：“臣愿以少击众，只率部下5000人，就可以直捣匈奴！”汉武帝为他的勇气所动，终于答应，并命令路博德听从李陵指挥。
可是，路博德的资历比李陵深，羞于听命，于是上书汉武帝，说现在正值秋季，匈奴马肥，不可轻易出战，不如等到明年春天，再与李陵分兵行动。汉武帝还以为是李陵中途后悔了，暗使路博德上书，大为生气，下诏把他训斥了一通。正好匈奴人入侵西河，汉武帝下令路博德把守西河要道，派李陵赴东浚稽山，侦察敌情。
李陵得令，立即发兵行动。途中没有遇上一个匈奴兵，只是将山川地形，绘制成图，派骑兵李步乐呈送朝廷，并申诉前时的冤屈。汉武帝大喜，认为自己用人得当，并封李步乐在朝中做了郎官。
当李陵遣走李步乐，自己也准备收兵返回的时候，突然被匈奴单于率3万大军包围。李陵急忙以军为营，列队布阵，前边将士手持枪戟盾牌，后边弓箭手引弓待发。等敌人临近，李陵一声令下，弓弩齐发，匈奴兵立刻倒下一大片，其余的回头就跑。李陵又下令擂起战鼓，将士们一跃而起，奋勇追击，又杀死了几千名敌人。匈奴单于并不罢休，又召集了8万骑兵追堵李陵。李陵且战且走，又杀死了3千多名敌人。匈奴兵仗着人多，紧追不舍，到了一片长满芦苇的沼泽地中，匈奴兵四处放火，想烧死汉兵。李陵索性叫士兵先点燃芦苇，以阻止火势。就这样好不容易走出沼泽，进入南山中。单于也驱马赶来，率兵轮番攻打。李陵拼死再战，转战于树林间，又杀了几千名匈奴兵。
单于见汉兵精悍凶猛，以一当十，围追了这么多天，不能消灭他们，又见他们不南退，不由疑惑起来，以为他们是汉朝派的精兵，诱使他们到汉匈边界处一举歼灭。他想撤兵，却怕为人所轻视，堂堂一国君主，统帅10万军马，竟然对付不了几千汉兵，这叫他日后如何发号施令？正在左右为难之际，汉军出现了一个内奸，意外地解脱了他。这个内奸叫管敢，是个侦察敌情的探子，因为被上司责骂，怀恨在心，就投降了单于，说李陵死伤很多，后援无望，弓矢将尽，只要加紧攻击，肯定会把汉军全部消灭掉。单于大喜，打起精神，组织人马，轮番攻打李陵，箭如雨下，并让将士大喊：“李陵快快投降！”
李陵连日战斗，损失惨重，人马也剩下不多，且又多数带伤，弓箭全部用完了，情况万分危急。但李陵和所有将士毫不畏惧。他取下车辐，持在手中作为武器，与匈奴兵展开肉搏战，边战边退，进入一条狭谷。匈奴兵立即封锁退路，并登上四面山崖，往下丢石头，李陵等人被死死困在山谷中。
黄昏后，李陵换上便衣，对左右将士说：“你们待在原地，我一个人去偷袭单于！”但是刚一出营，便见周围都是敌兵，自知无法杀出，返身长叹道：“此次定要败死此地了！”有个将士劝慰李陵说：“将军以少击多，威震匈奴，眼下天命不遂，何不暂寻生路，将来总有回去的希望。试想浞野侯曾为匈奴所俘获，后来返回，天子仍然厚待，何况将军？”李陵摇头道：“如何说这种丧气的话，我若不战死阵前，怎算是英雄？”于是命令毁旗砸车，并埋掉所有珍宝财物，悲壮地说：“我军若各人再有十几枝箭，还能突围出去，现在手里没有武器，用什么战斗？一到天亮，恐怕全要遭毒手。现在只有各自逃生，或者可以逃回去见到天子，禀报军情。”说完，命令每个人带两升干粮，一片冰，各寻生路，约定好了会合地点。到半夜时，李陵一马当先，冒死杀出谷口，但走没多远，又被追上重重围住。李陵只剩十几个人在身边，不由向南流涕，道：“臣此生再无面目见陛下了！”就投降了匈奴。他手下的士兵大都战死沙场，只有400多人逃了回去，报告守边将帅，边将急忙派人飞奏朝廷。当时都不知道李陵的消息，全认为他战死了。
当李陵投降的消息传来时，朝廷一片哗然，汉武帝大怒，并迁怒于李步乐，李步乐惶恐自杀。汉武帝又下令将李陵全家逮捕入狱。公卿大臣们纷纷谴责李陵，只有太史令司马迁挺身为李陵辩护，触怒了汉武帝，下令处以宫刑。后来，汉武帝又派李广利与公孙敖再次出征匈奴，并希望他们迎回李陵。公孙敖出兵不利，无法回报，就捏造谎言，说李陵帮匈奴统兵，他不敢进击。汉武帝信以为真，立即诛杀李陵全家。
李陵投降，原出无奈，并没卖身投靠，他准备一有机会，就归汉朝。不料见汉武帝如此绝情，族灭全家，就死了回汉的心，娶了匈奴女子，生儿育女，做起匈奴臣民来。不过毕竟出于无奈，心里常闷闷不乐。
苏武出使被扣押后，他被派去以身说教，劝苏武投降，被苏武大义凛然地断然拒绝，羞愧得无地白容，叹息道：“您真是位义士，我和卫律可说是罪恶滔天了！”因此常在暗中帮助苏武。苏武荣归汉朝时，李陵设宴饯行，伤感地举杯祝贺道：“如今您荣归家乡，定会扬名于匈奴，显功于汉室，载书于青史，古往今来没有谁会超过您的。我虽然念念不忘手刃单于，报效汉朝，可亲人已没，我还能顾惜什么？只能怀恨而终了。希望您能体谅我的悲伤！异域荒远之人，向您永别了！”言罢，起身歌舞，自吟道：“经万里兮度沙漠，为君将兮击匈奴。路穷绝兮矢刃摧，士众灭兮名已毁。老母已死，虽欲报恩将何归？”
李陵就这样在匈奴度过余生，直至终老。