为了确保对西域的控制，彻底完成对匈奴的“C”形包围，天汉二年（前99）的五月，汉朝发起了天山战役。贰师将军李广利率领三万骑兵再次从酒泉郡出发，出征西域。
为了保证李广利大军的辎重，武帝希望能有一支步兵军队配合李广利作战。想来想去，武帝想起了一个人，李陵。李陵是李广的孙子，曾经率领八百轻骑兵深入匈奴的居延海一带进行侦察，后来一直在酒泉、张掖两地指挥和训练弓箭手。李广利远征大宛国，李陵就曾经率领五个校尉一万多人参与指挥后勤保障。
但是李陵更有想法，他可不想像他爷爷李广一样打了很多仗却没什么军功。在武台宫面见武帝的时候，李陵长跪不起，扣头说：“我率领的边军都是荆楚一带的勇士、奇才、剑客，力量足以杀死老虎，射艺也是百发百中。我希望能够自己率军深入匈奴兰干山南部牵制单于的军队，减轻贰师将军主力军的压力。”
武帝却很为难：“看来你不想做别人的下属啊。可是，你也知道国家现在困难，这段时间我调遣的骑兵很多，我没有多余的骑兵部队配属给你啊。”
李陵不以为然，一再坚持：“不用骑兵，我愿意以少击多，率领五千步卒远征单于庭。”
毕竟年轻啊，但是武帝也很钦佩这种精神，也就答应了。但是为了保险，武帝命令路博德在李陵军队后面作为后应。
路博德也是有头有脸的人物啊，为这么不靠谱的战役做殿后，稍微有那么点……于是上书给武帝说：“马上就秋天了，匈奴的战马正是最有力气的时候，不如等到开春我和李陵一起率军北上，在酒泉、张掖各调遣五千骑兵，一路进军到浚稽山一带，一定能取得胜利。”
武帝这时候已经快更年期了，很多疑，心想：这该不会是李陵这小子反悔了吧？于是告诉路博德：“我想给李陵骑兵，李陵说情愿以少击多。现在匈奴已经进入西河（即河西）一带，已经对钩营的道路（在内蒙古境内）有所阻拦。”
但是武帝也实在舍不得让李陵去做这样的冒险，于是将出击牵制的任务改为以侦察为主，命令李陵在九月出发，在离单于庭很近的东浚稽山南龙勒水（今蒙古国图音河）一带“徘徊观虏”，就算没有与敌人交战，也迅速回撤到受降城休整。并且安排校尉韩延年作为副指挥，韩延年的父亲韩千秋是在南越战死的烈士，所以武帝对他很信任。
九月，李陵越过居延海进入匈奴境内，李广利也一路行进到天山，与右贤王的军队遭遇。李广利想都没想就去迎战，汉军骑兵再次展现了当年的雄风，一战就歼敌一万余人。可是就当李广利以为自己即将得胜回朝，可以无所忌惮的时候，他才发现他已经被右贤王的主力重重包围——那一万人顶多只是一个巨大的诱饵。
而此时，离李广利最近的因杅将军公孙敖部已经离开河西，与强弩都尉路博德在匈奴涿邪山（蒙古国境内曼达勒戈壁一带）会师，以保障李陵部队的安全。
李陵率军北上三十天，终于到达指定地点，在仔细考察测绘好地图后，派遣通信骑兵陈步乐带着地图前往长安。但是，急于建功立业的李陵并没有撤军，他希望能洗刷爷爷当年的耻辱，赢得一场真正的大胜。没多久，他就被匈奴发现，被匈奴单于本部的三万骑兵包围。
这是汉匈战争自爆发以来汉军最为窘迫的一次，两路出击，都遭遇了包围。在天山主战场，李广利已经被包围数天，军队伤亡惨重，失去给养。李广利的部下假司马（代理参谋长）赵充国站了出来：“给我一百多骑兵组织个敢死队，我亲自带着，突围去！”
赵充国祖籍在陇西郡，后来迁徙到金城郡（甘肃境内），后来当了骑兵，又在长安当过京城守卫。因为熟悉兵法并且对外国风土人情很了解，很快得到提升。
李广利只好照办，挑选了一百多人（也有说法是七百多人）组织敢死队，由赵充国指挥。
赵充国带着敢死队作为前锋，李广利率军紧跟其后，硬是杀开一条血路。汉军阵亡近两万人，赵充国本人也身受二十多处伤，好在没有生命危险。
东线的李陵则没有这么幸运了。他的兵力只有五千，而且多是步兵，最要命的是此时他在两山之间。面对三万匈奴骑兵的包围，李陵以军中的大车（一种牛拉的后勤车辆）作为掩体构建了简易的防御工事。他率领主力在工事前组织阵形，前排持戟、盾牌，后面全部是弓弩手。
匈奴见李陵军队人数不多，就在汉军阵营的正面组织进攻。没想到匈奴的第一次攻击就吃了亏，不仅没有击溃汉军的阵形，反而被汉军的弓弩手射杀了一千多人。
匈奴开始逐渐向山上撤退，但是李陵并没有抓住机会逃跑，反而率军追击，一路上又射杀了数千人。
但是李陵没有想到，这是客场不是主场，匈奴随时可以调遣援军。没多久，匈奴军队由三万变为八万人。这时候李陵才一边作战一边向南撤退。但是已经来不及了，行进到一个山谷的时候，汉军很多士兵都已经受伤。
当时，汉军对匈奴有一个极大的优势就是铠甲，所以这种弓弩对射战斗汉军的阵亡人数并不会很多，因为中箭后死亡的很少，但是依然会受伤。这时李陵下令，受伤三处以上的退出战斗乘车，受伤两处的驾车，受伤一处的不准撤出战场，可见此时汉军的受伤情况多么严重！
李陵这时明显感觉到军队的士气出现低落，战斗间隙，李陵忽然对大家说道：“我的士兵们怎么士气这么低落，战鼓都激励不了，怎么了？难道我们军队中有女子么？”
没想到，还真有，是当时偷偷到军营的军属，藏在战车里，李陵当即把这些随军的妇女都给斩首了。第二天，又与匈奴骑兵交战，杀敌三千余人。汉军方面沿着过去龙城的道路撤退，大概四五天后，汉军撤退到一片芦苇丛生的湿地中。
这样的地形并不适合骑兵作战，但是且鞮侯单于真不是个好对付的主，他想到了火攻。李陵也不是笨蛋，指挥汉军在驻地前烧出一块隔离带，阻止火势的蔓延。
汉军继续南下，到了一处山地，没想到，且鞮侯单于已经在山上等着他们了。
但是且鞮侯单于也在怀疑，为什么这支汉军部队人数少但是训练有素，还一路牵着我们的鼻子往南走，难道又有伏兵？但是单于手下的那些指挥官可不这么想：“单于陛下亲自率军却连数千人的汉军都无法打败，以后我们匈奴将颜面扫地，那些附属小国我们将再也叫不动，汉朝也会越来越轻视我们。在这片山地我们还能作战，再往南四五十里有片平地，在那里如果不能取胜，我们再撤军也可以！”
且鞮侯单于命令他的皇子下山与李陵交战，李陵当机立断，率领残部进入山林中与匈奴周旋。骑兵在山地丛林完全没有优势，只有劣势，匈奴再次损失数千人。汉军越战越勇，一支使用连弩（真正的作战用连弩很大，远不是那种射铅笔的玩具能比）的精锐弩队甚至向单于靠拢，进入射程范围以内后向单于的中军帐射击，逼得单于仓皇逃窜。
这时，汉军残部行军速度越来越快，匈奴军队再次损失两千多人，汉军也只剩下了不到四千人。就在这千钧一发之际，一个叫管敢的军侯（相当于现在的副营长，指挥一个曲，大约二百多人，有的加强曲甚至五百人）因为不满他所在营（相当于团，两三千人）的校尉，投降匈奴。
管敢告诉匈奴人，汉军的任务是侦察，并没有后援，而且箭也快打完，现在总指挥李陵和副指挥韩延年各自带领八百人作为先锋开路，用黄色白色的旗帜作为标志。
且鞮侯单于继续发起追击，并且一路让骑兵高喊：“李陵、韩延年快来投降！”汉军最终还是用完了最后一支箭，五十万支箭全部用完，汉军只好放弃辎重车辆，拿着短刀在山地丛林中一边求生，一边作战。
最后李陵与韩延年带着十几个人突围，韩延年以身殉国，李陵无奈之下，投降匈奴。五千汉军，逃回汉朝的只有四百余人。
毫不夸张地说，且鞮侯单于是匈奴的中兴之主，这场战役，无论东线还是西线，汉军都是以无可争议的事实完败。匈奴再次赢得了与汉朝叫板的威望。
李陵战败的消息传到武帝那里，武帝非常后悔没有派遣援军接应，希望李陵能够战死，保全李家的名声。可是，李陵最终的结果是投降，武帝非常生气，责问前来报信的程步乐。程步乐受不了屈辱自尽而死，最后司马迁求情，还被武帝一怒之下判了腐刑……说白了就是宫刑。
李广利的军队随后也回到了境内，身为主帅的李广利倒还义气，向武帝表彰了赵充国的功绩。武帝亲自召见赵充国，查看他的伤口，非常感慨，提升他做中郎将。赵充国在之后的历史进程中也是一个至关重要的人，以后会提到。
之后汉军又联合楼兰国讨伐车师国，匈奴右贤王部派遣数万骑兵营救，汉军再次失利，退回国内。
汉朝面临着窘境，数年征伐产生的有利局面出现了僵持，匈奴出现复兴的迹象。天汉二年（前98）的秋天，匈奴攻入雁门郡，太守竟然畏敌逃窜。随后这个太守被汉朝斩首示众，但是说明此时人心已经不稳。
相对于卫青、霍去病这些名将，李广利实在差得很远，每次打仗都是跌跌撞撞，拖泥带水。且鞮侯单于也是一个冷静的指挥官，战略上牢牢控制西域，战术上充分发挥匈奴骑兵的优势，针对汉朝缺乏战马的实际情况进行有效打击。
武帝心存不甘，在天汉三年（前97）春季发动直接针对单于庭的作战，动员了预备役，也就是七科谪，需要去边境服役的七种人，也就是指犯了罪的官吏、杀人犯、入赘的女婿、在籍商人、曾做过商人的人、父母做过商人的人、祖父母做过商人的人。甚至还招募了“勇敢士”，也就是职业兵。
且鞮侯单于会怎么应对呢？