这时，匈奴叛王介和王成娩率领已降服的楼兰兵进攻车师，匈奴反应很快，右贤王立即遣数万骑救之，击败了匈奴叛王的进攻。但与此同时，贰师将军李广利已到达目的地，向右贤王大举进攻。右贤王主力已派出，无力抵御，因此大败，被汉军斩杀一万人。李广利得手后便回师。然而，归路上正好遇到单于主力救援部队。单于主力部队似乎数倍于汉军，而李广利对遭遇单于主力救援也毫无防备，一开始就被打得措手不及，损失惨重。匈奴军将汉军包围，企图吃掉汉军。此时的汉军形势严峻，粮食也快完了，面临全军覆没的危险。此时担任代理司马的陇西上邽人赵充国自告奋勇带领一百勇士作为敢死队向匈奴军发动冲击。经过一番血拼，这支敢死队几乎损失殆尽，才杀出一条血路。李广利率兵随后冲击，终于突围成功。这一仗汉军损失达两万人，为汉军突围立下大功的赵充国受伤20处，差点丧命。李广利奏明武帝，武帝亲自接见赵充国，视其伤，感叹不已，拜赵充国为中郎。李广利兵败，未受惩处，在此之前极为少见。
李广利兵败后，武帝又派因杼将军公孙敖出西河，与强弩都尉路博德相会涿邪山，终无所得。
而此时，李陵的五千步兵经过30日的行军，路上未遇匈奴一兵一卒，顺利抵达目的地浚稽山，扎下营寨，将所过的山川地形绘制成地图，派部下陈步乐送回朝廷。汉武帝听其说李陵的部下能拼死效命，龙颜大悦，封陈步乐为郎官。李陵此时心情很好，但也为没有遇上匈奴，不能大显身手而郁闷。他并不知道，在他行军时单于主力部队正在与李广利鏖战。
李陵在穿越浚稽山的山谷时，终于与单于相撞了。三万匈奴骑兵从两山之间向李陵包围而来。刚刚击败李广利的且鞮侯单于迫不及待地对李陵发动进攻，否则，让汉军的五千步兵在匈奴腹地肆意纵横简直是奇耻大辱。好在汉军只有五千步兵，且鞮侯单于认为只需要三万骑兵不用费多大力量就可将其全部歼灭。但是，且鞮侯单于小看了这支步兵的战斗力，另外在山地，由于地形的限制，骑兵部队根本施展不开，无法像平地一样形成对步兵的优势。于是，一场惨烈的大战开始了。
李陵临危不惧，严密部署，指挥若定，沉着迎战，以大车为营为屏障，防止匈奴军突入。其步卒列阵前行，持戟盾组成密集阵，后排持弓弩在后，命令部队“闻鼓声而纵，闻金声而止”。待匈奴进入射程，汉军千弩俱发，匈奴无不应弦而倒，于是匈奴纷纷退却上山。由于地形的限制，匈奴骑兵反而跑不过步兵，汉军乘势追击，居然杀了匈奴数千人。
战斗的结果让且鞮侯单于大吃一惊，他再也不敢小看这股汉军。在愤怒驱使下，他命令左右的所有部队共8万骑兵追击。
李陵率部且战且退，日夜苦斗，但是步兵毕竟跑不过骑兵。匈奴军再次在一个山谷追上汉军。汉军依然采用同样的战术同匈奴军周旋。由于汉军人数少，李陵命令“卒中矢伤，三创者载辇，两创者将车，一创者持兵战”，经过顽强奋战，汉军再次击败匈奴军。李陵引兵东南，巧妙地循故龙城道走了四五日，由于沿路多为山区及大泽葭苇地，地形的原因使匈奴骑兵无法实施追击。匈奴放火烧汉军，妄图用火攻来消灭李陵所部。李陵又机警地“令军中纵火以自救”，挫败了敌军的阴谋。这样，汉军且战且退再次向南行进，而此时单于已经亲率部分部队抢占了前面山峰的山顶，单于命令他的儿子率领骑兵从山顶向李陵军冲击。李陵反应也很及时，将部队转移到树林中，这样抵消了骑兵的冲击。此时，匈奴军再次犯错，居然深入到树林中，这样骑兵的优势完全丧失，反而变成劣势，汉军步兵在树林中则灵活得多、游刃有余，再次歼灭匈奴军数千人。一支汉军甚至用连弩向山顶观战的单于射击，单于大惊，慌忙逃走。
单于原来企图挟战胜之威一举歼灭这股孤军深入的汉军，但结果却是出乎意料，匈奴以绝对优势的兵力在5000汉军面前连连碰壁。于是，匈奴军心动摇，单于开始怀疑这是一支不可战胜的军队，而且是在一步步地把他们引向长城，是想诱歼他们，于是打算退兵。但匈奴贵族们都极端不甘心这样的结局，说“单于亲率数万骑兵攻击汉军数千人而不能将他们消灭，以后将无法再号令边臣，还会使汉朝更加轻视匈奴。所以应在山谷中再次力战。还有四五十里才到平原地区，如仍不能取胜就返回。”
而此时汉军和匈奴骑兵连战多日，由于汉军人数过少，情况依然危险。但汉军依然以昂扬的斗志将士气不振的匈奴骑兵击败，匈奴再次折损2000骑兵。匈奴终于丧失了取胜的信心，已准备退军。
正当单于气馁准备放弃的那一刻，一个意外事件毁灭了李陵最后的机会。军候管敢因犯错误被校尉责骂，居然一怒之下投降匈奴，将汉军的虚实特别是汉军没有后援的情况完全告诉匈奴。管敢的情报给几乎丧失信心的匈奴打了强心剂。单于大喜，坚定了歼灭这股汉军的决心，展开疯狂的进攻。他命令骑兵部队立即对汉军发起总攻。匈奴军毫无顾忌地在山上向山谷中的汉军射箭，矢如雨下。汉军拼命冲出包围，经过长途跋涉，汉军距离边塞只有百余里了。但行动迅速的匈奴骑兵在离鞮汗山不远的地方再次追上汉军，而此时汉军尚剩三千余人，但是五十万羽箭全部用完，陷入弹尽粮绝的处境。士兵只能斩断车辐持之，军吏持尺刀，企图进入峡谷，继续与强大的敌人作殊死决斗。但匈奴军已切断后路，救兵又没有到来，眼看要被敌军全部歼灭或擒获，李陵又果断地将部队化整为零，分散突围，“脱而至塞者四百余人”，其余尽没。
作为一军的主将，李陵本打算单身擒拿单于，但看到匈奴军队戒备森严，无从下手，只好回来，准备以死报国，部下劝他权且投降，再寻机回去，就像浞野侯赵破奴那样，还会受到当今皇帝的优待。李陵没有答应。
而在突围中，李陵的战友、功臣韩千秋之子校尉韩延年英勇战死，李陵痛感“无面目报陛下！”于是，李陵抱着“庶几乎曹柯之盟”的目的投降匈奴，走上了一条不归路。后来，由于汉武帝听信谗言，诛杀了李陵的全家，李陵抱着无涯之憾长没匈奴，再也没有回到自己的祖国。而太史令司马迁认为李陵之所以投降，是想找机会报效国家。但这被汉武帝认为是诋毁李广利，为李陵开脱，遂激怒了汉武帝。为了完成司马氏父子两代人着史留世的心愿，司马迁忍辱负重，接受宫刑，最后，满含悲愤地完成了“史家之绝唱，无韵之《离骚》”的千古名史——《史记》。《史记》书成，完成了历史使命的司马迁也走到了他生命的尽头。
在中国的历史上，或许从来没有一个将领能像李陵一样：一战而成名，同样又因一战而名灭。李陵创造了战争史上的奇迹，用五千步卒勇敌匈奴八万骑兵，尚能坚守近十日，杀虏甚众，但最终却又因兵败降敌，成为一个所谓的“汉奸”；他本是一名战败的阶下囚，却又受到单于嫁女，异域封官的厚遇；他事匈奴、终老于匈奴，但却又未完全叛汉；荣华富贵、高官厚禄、温柔乡里，人上人的优裕生活，却难消其胸中块垒，他壮志难申、悲愤难名、百口莫辩，一辈子受到良心的煎熬！他的遭遇无不让后人壮其勇、怜其才、惜其降、叹其遇！天山-东浚稽山战役再次以汉军的惨败而拉下帷幕。汉军总共损失25000人（李广利损失两万人，李陵5000人全没），匈奴再次赢得了胜利。但是，匈奴自身损失居然超过两万人，对匈奴这样一个人力匮乏的民族来说，这样拼下去，距离亡国灭种也不远了。
余吾水战役，汉匈皆无所得天山-东浚稽山战役的惨败令武帝非常震惊，多年的胜绩使他似乎忘记了失败的滋味。这使他的自信心遭受了严重的打击，不过他并不就此善罢甘休。他也许意识到匈奴实力已经恢复，而上次对匈奴是太轻敌了，出动的兵力少到可笑的地步。于是，汉朝策划了另一次规模空前的报复性的战役。
公元前98年秋，匈奴袭击雁门。这给了汉朝出兵匈奴的借口。在天山一东浚稽山战役之后两年，即公元前97年正月，武帝发天下七科谪及招募天下勇士，大规模征集兵力。汉朝花费了近一年的时间完成了兵力动员过程，征集了一支总兵力达21万人的庞大的野战军，兵分三路向匈奴扑过来。
三路大军中，中路军即主力军依然由上次的败将贰师将军李广利统帅，兵力为骑兵六万、步兵七万，出朔方；右路军由因杅将军公孙敖带领，兵力为骑兵一万、步兵三万，出雁门，游击将军韩说带领三万步兵出五原；左路军由强弩都尉路博德率领步兵万余人出居延。这样汉军总兵力为骑兵七万、步兵十四万，几乎是全国动员。这样的兵力及规模是漠北之战以来未有过的。
匈奴得到消息后，采取的策略也是漠北之战匈奴采用的策略：将其所有物资、人员、畜产转移到余吾水（今蒙古土拉河）以北，且鞮侯单于集中所有能集中的兵力共十万骑兵列阵水南，以待汉军；匈奴左贤王率部分兵力在其左翼对付公孙敖、韩说军，以防备汉军从侧翼迂回。这个方案据说是投降匈奴的边塞奚侯城都尉李绪为单于设计的。面对汉军如此庞大的兵力，且鞮侯单于也不敢冒险，因而采取了这个相当保守的方案。这也可能由于且鞮侯单于吸取了两年前由于轻敌在5000汉军面前损兵折将的教训。另外，匈奴也实在输不起了，面对这样一支大军一旦失败就面临亡国灭种。
汉武帝居然仍然任命上次天山战役的败将李广利实在让人奇怪，汉朝对败军之将一向严惩不贷，而李广利上次失败后未受到任何处罚，这次又被任命为一支十三万人的大军的统帅，或许这是汉武帝的李夫人情结在起作用。
因杅将军公孙敖的任命也是不合适的，历史上公孙敖独自领兵从未胜利过。但这也不能怪汉武帝，因为昔日能征善战之辈已经所剩无几了，汉朝实在是太缺将领了。
李广利军出塞到达涿邪山，未发现匈奴，但得知匈奴主力在余吾水以南，于是转向东北向余吾水方向进击。双方主力相逢，展开了激战。与此同时，汉军右翼公孙敖军与匈奴左贤王展开激战。李广利总兵力超过匈奴军，但骑兵数量不及匈奴，双方在草原上展开拼杀，一时倒也难分高下。但是汉军右翼公孙敖军接战渐感不支，韩说的三万步兵到达目的地未发现匈奴人就引军退回。公孙敖军见势不妙也引军撤退。这样，李广利军侧翼失去保护，总体态势处于不利。同时，汉军同匈奴连战十余日，补给也很困难。也许上一次的惨败还让李广利记忆犹新，李广利不愿冒险，于是乘形势尚佳之时南撤。
匈奴人也很谨慎，见汉军撤退也不敢追击。这样汉军得以全身而退。这样一次规模庞大的会战就这样虎头蛇尾地结束了。
余吾水战役汉军做了全国动员，动用了一支21万人的大军。但结果却是汉匈双方打成平手，双方皆无所得。
余吾水战役后，汉匈双方都筋疲力尽，双方进入6年的休战期。第二年，且鞮侯单于死去，他的长子左贤王被立为单于，号为狐鹿姑单于。且鞮侯单于在位5年，在位期间，挫败汉朝两次大规模的进攻，在极端困难的情况下总算维持了匈奴的生存。
速邪乌燕然山战役，李广利降匈奴汉武帝晚年性格多疑乖张，多次兴起大狱。特别是征和元年开始的巫蛊案，导致太子被迫杀，皇后自杀，多名宗室大臣被诛。长安城沦为战场，死者上万，一片血雨腥风，统治阶级内部不稳。同时由于连年征战，赋税酷重，广大贫苦农民不堪官府和豪强的双重压榨，接连爆发起义，且愈演愈烈。汉朝上下已经怨声载道、危机四伏。
公元前90年三月，武帝再次发兵进击匈奴。汉军兵分三路，中路也是主力贰师将军李广利，将七万人出五原，正对匈奴王庭方向进击；右路军御史大夫商丘城，领三万余人出西河；左路军重合侯马通，领四万骑出酒泉，向天山方向进击。
为保证重合侯侧翼安全，武帝怕车师伏击马通后路，乃遣原匈奴降将开陵侯成娩，率楼兰、尉犁、危须等六国兵，先行进攻车师。汉军总兵力为14万人，除左路重合侯马通部队外，其余均为步骑混合部队。
汉朝的目的是寻求匈奴主力会战，值得注意的是其左路重合侯马通，率四万骑出酒泉向天山方向进击，正是当年李广利出击的方向，汉试图再次染指西域，消除匈奴在西域的影响。
而汉武帝则是通过迷信占卜的方法，再次任命屡战屡败的贰师将军李广利为主力军统帅。然而，这却是上天给汉武帝一生的最后一战开的一个玩笑。
李广利出师，丞相刘屈髦送行到渭水，两人进行了密谈，他们认为武帝年老身体不好，而太子已死，武帝一直未决定继承人。他们决定一旦武帝不测，立李夫人之子昌邑王刘髆为帝。
匈奴得到汉兵大出的消息后，采用的策略依然是老办法，各部悉弃其辎重，单于部徙赵信城北抵郅居水（今蒙古色楞格河，源出杭爱山北麓，流入贝加尔湖）。左贤王也急忙驱其人民渡余吾水六七百里，退居兜衡山，远远避开汉军。狐鹿姑单于自率精兵渡过姑且水（今杭爱山东南）防范汉军主力。李广利出五原后进展顺利，他率所部七万向夫羊句山（今蒙古古里精呼都克）前进，匈奴单于遣其右大都尉及卫律率五千骑兵，企图利用有利地形阻击李广利军于夫羊句山峡。李广利遣西域胡骑两千进击，杀敌数百，匈奴败退。于是，李广利乘胜追击，至范夫人城（其地已不可考）。
与此同时，右路军御史大夫商丘城率领三万余人出西河到达目的地追邪径，没有发现敌人，引兵归还。匈奴军企图乘汉军撤退之际发兵邀击，命令其大将与李陵率三万余骑追汉军，至浚稽山追上了汉军，与汉军会战。
双方转战九日，“汉兵陷阵却敌，杀伤虏甚众”。在这里，不得不再说李陵，作为降将的李陵精通兵法，熟悉地形要略，有备而战，可谓占尽天时、地利，如果其确实为匈奴效命的话，却居然打不过一个没有多少实战经验的商丘城，居然出现“汉兵陷阵却敌，杀伤虏甚众”这样一边倒的战局，谁会相信？答案只有一个，那就是李陵是身在匈奴心在汉，出工不出力。在他心里，根本就没有叛汉。
匈奴军边打边撤，向东撤至蒲奴水，匈奴军发现不但占不了便宜，还死伤惨重，于是退兵。
重合侯马通渡过蒲奴水向西转到天山进攻左贤王，左贤王使大将偃渠与左右呼知王率两万骑迎击，发现汉军兵力强盛，人数为其两倍，大为恐惧，引军撤退。马通没有战果，也只得撤退。