至于李陵是如何答复汉武帝的，我们已经不得而知，但经过路博德这么一闹，汉武帝的战略部署再度发生改变，李陵的五千步兵变成了佯攻部队，攻击方向则变成了西迁的单于庭方向，目的是吸引单于和左贤王的注意力；路博德和公孙敖的军队则变成了阻截军队，目的在于切断单于庭、左贤王和匈奴右部的联系，阻截匈奴援军，防止单于和左贤王出兵救援匈奴右部。
如果各路军队真的按照汉武帝的部署行事，那么此次出战将会极为顺利。作为佯攻军队的李陵，虽然率领的多为步兵，但汉武帝却并未要求其与匈奴主力作战，只需要到浚稽山南麓一带晃悠一圈，如果能够发现匈奴的散兵游勇，打上一仗更好，如果没有发现，就退回受降城休整坚守，只要能吸引且鞮侯单于和左贤王的注意力，便算完成了任务，并不需要他正面迎敌，即便且鞮侯单于和左贤王出兵来攻，也可先敌一步退回受降城，凭城坚守，不至于遇到危险。
就算且鞮侯单于和左贤王发现了上当受骗，向西救援右贤王，路博德和公孙敖的军队也可切断他们的救援之路，只要为李广利的主力军队争取到足够的撤退时间便足以。
不过，汉武帝显然低估了匈奴的实力和各路将领犯错的能力。
首先说匈奴的实力，在汉武帝看来，虽然此时距离“漠北之战”已经过去了近二十年，但他并不认为当初遭受重创的匈奴，已经恢复了一战之力。然而，汉武帝却少考虑了一点，匈奴这种游牧民族并不同于中原农耕文明，由于管理粗放、生产方式落后，他们恢复国力并不需要考虑经济发展和社会生产等因素，只要男丁人口恢复上来，便重新拥有了一战之力。漠北之战后，匈奴远迁漠北休养生息，历经近二十年，他们的人口早已恢复，虽说暂时尚且无力与汉朝正面进行大规模作战，但并不代表他们没有出兵作战的能力。
再来说汉军将领犯下的致命错误。可以说，正是由于李陵立功心切擅作主张，导致汉军原本的作战计划全部泡汤。
李陵率领五千步兵从居延出发之后，向北行进了近三十天，到达浚稽山扎营，然后将所经过的山川地形绘制成图，派手下骑兵陈步乐回朝禀报。汉武帝召见陈步乐后，询问前线情形，陈步乐表示李陵带兵有方、将士死力效命，汉武帝闻言十分高兴，甚至还任命陈步乐为郎官。
然而，李陵率兵抵达浚稽山后，却并未按照原定计划退回受降城。由于沿途没有遇到匈奴军队，一心想要立功封侯的他，在毫无斩获的情况下，竟然选择了滞留浚稽山寻找匈奴军队，真的准备实现对汉武帝的承诺“以少击多”。
且鞮侯单于得知有数千汉朝步兵进抵浚稽山后，一时间摸不准汉军目的何在，于是调集三万骑兵南下迎击汉军，即便如此仍不安心，担心汉军另有诡计的他，又命人传讯左贤王率领大军南下浚稽山会和。
且鞮侯单于率军抵达浚稽山一带后，派兵探查得知汉军的确只有数千步兵，而且周边并无汉军主力埋伏，且鞮侯单于这才放心率军对李陵发动了进攻。
李陵遭遇匈奴主力后，最初倒也没有慌张，他率兵驻扎于两山之间，以大车作为营垒，充分利用地形降低了四面接敌的风险。阵型布置完毕后，李陵领兵冲出营垒摆开队伍，前排持戟和盾，后排用弓和弩，命令手下士兵道，“听到击鼓就进攻，听到鸣金就收兵”。
李陵布阵的同时，匈奴大军也对李陵完成了合围，见到汉军人少，匈奴大军径直扑向汉军营垒。
李陵虽然兵少，但却都是常年跟随他，经其一手训练的精锐军队，纵使面对数倍于己的匈奴大军也能做到毫不慌张、沉着应对，随着李陵的一声将令，汉军顿时千弩齐发，匈奴兵应弦而倒，冲击队形因此乱作一团。李陵见状，立即率军猛攻，匈奴兵败后退往山上，李陵率军追击，杀匈奴兵数千。
就在此时，左贤王率领五万多骑兵赶到，原本因战败而大惊失色的且鞮侯单于这才定下心来，与左贤王合军一处，重新整顿兵马，然后命令八万多匈奴骑兵一起围攻李陵。
面对十余倍的匈奴大军，李陵知道纵使自己的军队再精锐，也根本不可能击败对方。于是不得不放弃坚守，率军向南且战且走。然而，此前李陵之所以能够顶住匈奴骑兵的进攻，依靠的便是地形优势和车阵，一旦离开了车阵，步兵根本不是骑兵的对手，可是即便如此，自知没有援军的李陵，也只能硬着头皮率军撤退，否则必然会被匈奴大军困死在原地。
数日之后，由于迟迟无法摆脱匈奴骑兵的追击，李陵只得退入一个山谷中坚守。连日苦战，很多士卒带伤在身，李陵于是下令：凡是三处受伤者用车载，两处受伤者驾车，一创者坚持战斗。
李陵见军队士气低沉，便说道，“我军士气不如前，又鼓不起来，是何原因？莫非是军中有女人么？”
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