早年经历
李陵年轻时担任侍中、建章监。善于骑马射箭，对人有仁爱之心，谦让下士，名声很好。汉武帝认为他具有李广的风范，命他率领八百骑兵。
李陵曾深入匈奴二千余里，越过居延侦察地形，未遇到匈奴顺利返还。后升为骑都尉，带领精兵五千，驻在酒泉、张掖等地教习箭术以防卫匈奴。几年后，汉朝派贰师将军李广利征大宛，命李陵带其五千兵马随后。行至边塞，武帝又诏令李陵，要他留下手下将士，只率五百轻骑出敦煌，至盐水，迎接李广利回师，然后仍驻屯在张掖。
孤军深入
天汉二年（前99年），李广利统领三万骑兵从酒泉出发，攻击在天山一带活动的右贤王，武帝召见李陵，想要他为大军运送粮草。
李陵来到武台殿，向武帝叩头请求说：“臣所率领的屯边将士，都是荆楚勇士、奇材、剑客，力可缚虎，射必中的，望能自成一军独当一面，到兰干山南边以分单于兵力，请不要让我们只做贰师将军的运输队。”武帝说“：你是耻于做下属吧！我发军这么多，没有马匹拨给你。”李陵答道：“不须给马匹，臣愿以少击多，只用五千步兵直捣单于王庭。”汉武帝为他的勇气所感便同意了，并诏令强驽都尉路博德领兵在中途迎候李陵的部队。
路博德以前任过伏波将军，也羞于做李陵的后备，便上奏：“现在刚进秋季正值匈奴马肥之时，不可与之开战，臣希望留李陵等到春天，与他各率酒泉、张掖五千骑兵分别攻打东西浚稽山，必将获胜。”武帝见奏大怒，怀疑是李陵后悔不想出兵而指使路博德上书，于是传诏路博德：“我想给李陵马匹，他却说什么‘要以少击众’，现在匈奴侵入西河，速带你部赶往西河，守住钩营之道。”又传诏李陵：“应在九月发兵，应从险要的庶虏鄣出塞，到东浚稽山南面龙勒水一带，徘徊以观敌情，如无所见，则沿着浞野侯赵破奴走过的路线抵受降城休整，将情况用快马回朝报告。你与路博德说了些什么？一并上书说清楚。”
于是，李陵率领他的五千步兵从居延出发，向北行进三十天，到浚稽山扎营。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。陈步乐被召见，陈说李陵带兵有方得到将士死力效命，武帝非常高兴，任陈步乐为郎官。
血战匈奴
李陵在浚稽山遭遇到单于主力，被匈奴三万多骑兵包围。李陵军驻扎在两山之间，以大车作为营垒，李陵领兵冲出营垒摆开队伍，前排持戟和盾，后排用弓和弩，下令：“听到击鼓就进攻，听到鸣金就收兵。”匈奴见汉军人少，径直扑向汉军营垒。
李陵挥师搏击，千驽齐发，匈奴兵应弦而倒。匈奴军败退上山，汉军追击，杀匈奴兵数千。单于大惊，召集左贤王、右贤王部八万多骑兵一起围攻李陵。李陵向南且战且走，几天后被困在一个山谷中。连日苦战，很多士卒中箭受伤，三处受伤者便用车载，二处受伤者驾车，一创者坚持战斗。
李陵说：“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？”原来，军队出发时，有些被流放到边塞的关东盗贼的妻女随军作了士兵们的妻子，大多藏匿在车中。李陵把她们搜出来用剑杀掉了。第二天再战，果然斩匈奴首三千多。他们向东南方突围，沿着故龙城道撤退，走了四五天，被大片沼泽芦苇挡住。
匈奴军在上风头纵火，李陵也令将士放火烧出一块空地才得以自救。又退到一座山下，单于已在南面山头上，命他儿子率骑兵向李陵发起攻击。
李陵的步兵在树林间与匈奴骑兵拼杀，又杀匈奴兵数千，并发连驽射单于，单于下山退走。这天李陵捕得俘虏，俘虏供出：“单于说：‘这是汉朝的精兵，久攻不能拿下，却日夜向南退走把我们引到塞边，会不会有伏兵呢？’而许多当户和君长都说：‘以单于亲率数万骑兵攻打汉朝几千人，却不能把他们消灭，那以后将无法再调兵遣将，也使汉朝越发轻视匈奴。务必在山谷间再度猛攻，还有四五十里才到平地，即使不能破敌，返回也来得及。’”这时，李陵军处境更加险恶，匈奴骑兵多，战斗一整天不下几十回合，匈奴兵又死伤二千余人。匈奴军不能取胜，准备撤走。
恰逢李陵军中有一个叫管敢的军侯，因被校尉凌辱而逃出投降了匈奴。对单于说：“李陵军无后援，并且箭矢已尽，只有李陵将军麾下和成安侯韩延年手下各八百人排在阵式前列，分别以黄白二色作旗帜，派精兵射杀旗手即可破阵了。”单于得到管敢，大喜，命骑兵合力攻打汉军，边打边喊：“李陵、韩延年快降！”接着挡住去路猛烈攻打李陵。李陵处在山谷底，匈奴军在山坡上从四面射箭，矢如雨下。汉军坚持南行，未等冲到鞮汗山，一天之中五十万支箭已全部射光，便丢弃战车而去。
当时，还剩士兵三千多，赤手空拳的就斩断车轮辐条当武器，军吏们也只有短刀。又被一座大山所阻折入狭谷，单于切断了他们的退路，在险要处放下垒石，很多士卒被砸死，不能前进。
黄昏后，李陵换上便衣独步出营，拦住左右说“：不要跟着我，让我一个人去干掉单于！”过了很久，李陵才回来，叹息说：“兵败如此，惟求一死！”军吏说：“将军威震匈奴，陛下不会让您死，以后可想别的办法回去，像浞野侯（赵破奴）虽被匈奴俘获，但后来逃回去，陛下仍以礼相待，何况对将军您呢！”李陵说“：你别说了，我不战死，不为壮士。”于是他要部下把旌旗都砍断，把珍宝埋藏在地下。又扼腕道：“再有几十支箭，我们足以逃跑了，可现在无武器再战，天一亮就只有束手待擒了。不如各作鸟兽散，还可能有逃回去报告陛下的人。”他令将士们每人拿上二升干粮，一大块冰，约定在边塞遮虏鄣会合。准备夜半时分击鼓突围，但鼓未响。
力竭被俘
李陵与韩延年一同上马，十多名壮士和他们一道冲出。匈奴数千骑兵紧追，韩延年战死，李陵长叹：“我无脸面去见陛下呀！”于是下马投降了。他的部下四散逃命，逃回塞内的仅四百余人。李陵兵败之处离边塞只有百余里，边塞把情况报告了朝廷，武帝想必李陵已战死，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。后来得知李陵已降匈奴，武帝大怒，责问陈步乐，陈步乐自杀了。
文武百官都骂李陵，武帝以李陵之事问太史令司马迁，司马迁则说：“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。今天他一次战败，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，就是古代名将也不过如此。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，武帝派李广利率领大军出征，只令李陵协助运输，后来李陵与单于主力战斗，李广利却少有战功。武帝认为司马迁诬罔，是想诋毁贰师将军为李陵说情，于是把他下狱施以腐刑。
很久以后，武帝悔悟到李陵是无救援所致，说：“李陵出塞之时，本来诏令强弩都尉接应，只因受了这奸诈老将奏书的影响又改变了诏令，才使得李陵全军覆没。”于是派使者慰问赏赐了李陵的残部。李陵在匈奴一年后，武帝派因杅将军公孙敖带兵深入匈奴境内接李陵。
公孙敖无功而返，对武帝说：“听俘虏讲，李陵在帮单于练兵以对付汉军，所以我们接不到他。”武帝听到后，便将李陵家处以族刑，他母亲、兄弟和妻子都被诛杀。陇西一带士人都以李陵不能死节而累及家室为耻。
诈降成真
此后，有汉使到匈奴，李陵对使者说：“我为汉朝领步卒五千横扫匈奴，因无救援而败，有什么对不起汉朝而要杀我全家？”使者说：“陛下听说李少卿在为匈奴练兵。”李陵说；“那是李绪，不是我。”李绪本来是汉朝的塞外都尉，驻守奚侯城，匈奴来攻便投降了。单于对他优礼有加，坐次在李陵之上。李陵恨他为匈奴练兵而使自己全家被诛，便派人刺杀了李绪。大阏氏要杀掉李陵，单于把他藏到北方去了，大阏氏死后才回来。
单于很看重李陵，把女儿嫁给他，立他为右校王，立卫律为丁灵王，他们都成了掌权的贵族。卫律的父亲本是长水胡人，但他却在汉朝出生长大。他同协律都尉李延年很好，李延年推荐他出使匈奴。出使回来，恰逢李延年家被抄斩。卫律害怕株连，就出逃投降了匈奴。他很受单于宠爱，经常侍于左右。而李陵则住外边，遇到大事才召入计议。[12] 昭帝即位，大将军霍光、左将军上官桀辅政，他们一向与李陵很好，就派李陵过去的好友陇西人任立政等三人去匈奴招李陵归汉。任立政等到匈奴后，单于置酒款待，李陵、卫律都在座。
他们虽见到了李陵，但不能私下讲话，便用目光向李陵示意，又几次把佩刀上的环弄掉，趁捡环时握住李陵的脚，暗示他可以回汉朝去。此后李陵、卫律备牛酒慰问汉使，一起博戏畅饮，他们都穿着匈奴的服装蓄着匈奴发式。
任立政大声说：“汉朝已宣布大赦，国内安乐，陛下年少，由霍子孟、上官少叔辅政。”想用这些话使李陵动心，李陵沉默不语，又不经意地摸着头发说：“我已成匈奴人啦！”过了一会儿，卫律起身更衣，任立政说：“少卿，你受苦了，霍子孟、上官少叔向你问好。”李陵说“：霍公与上官大人可好！”立政说“：他们请少卿回故乡去，富贵不用担心。”李陵小声对任立政说：“少公，我回去容易，只怕再次蒙受耻辱，无可奈何！”话未说完，卫律回来了，好像听到了他们最后的话，说：“李少卿贤能之人，大可不必只在一国居住，从前范蠡遍游天下，由余从西戎到秦国，今天还谈什么故国之类。”说罢告辞了。
任立政接着对李陵说：“你也有这个意思么？”李陵说“：大丈夫不能反复无常，再次蒙羞。”李陵在匈奴二十多年，元平元年（前74年）病死。