Lăng đến núi Tuấn Kê, cùng Thư Đê Hầu thiền vu đối đầu trực diện, thiền vu phái khoảng 3 vạn kỵ binh vây quân của ông. Quân Hán ở giữa 2 tòa núi Tuấn Kê, kết xe lớn làm doanh. Lăng đưa binh sĩ ra ngoài doanh bày trận, hàng trước đặt kích, thuẫn, hàng sau đặt cung, nỏ, truyền lệnh: “Nghe tiếng trống thì thả (dây cung), nghe tiếng chiêng thì dừng.” Quân Hung Nô thấy quân Hán ít thì xông đến trước doanh, Lăng xua quân xông ra, ngàn nỏ cùng bắn, nghe tiếng dây rung thì có người ngã lăn ra. Quân Hung Nô chạy lên núi, quân Hán truy kích, giết vài ngàn người. Thiền vu cả sợ, triệu Tả - Hữu Hiền vương đem hơn 8 vạn kỵ binh tấn công quân Hán. Lăng vừa đánh vừa lui, đi về phía nam vài ngày thì vào trong sơn cốc. Liên tiếp chiến đấu khiến binh sĩ Hán chịu nhiều thương vong, ai bị 3 vết thương thì được chở bằng xe kéo, ai bị 2 vết thương thì kéo xe, ai bị 1 vết thương thì tiếp tục chiến đấu. Bấy giờ nữ quyến của tội nhân ở Quan Đông bị đày đến vùng biên, gả cho sĩ tốt, phần lớn giấu trong xe. Lăng thấy sĩ khí suy giảm, lấy cớ trong quân có đàn bà nên mới như vậy, đem ra giết cả đi [18]. Hôm sau lại giao chiến, quân Hán chém hơn 3000 thủ cấp của địch. Lăng đưa binh về phía đông nam, men theo đường Long Thành cũ [19], chừng 4, 5 ngày, đi vào bãi lau sậy của một cái chằm lớn, người Hung Nô nương theo chiều gió nổi lửa, Lăng cũng lệnh cho trong quân nổi lửa để tự cứu Nhan Sư Cổ chú giải: “Sớm tự thiêu cỏ cây bên mình, khiến lửa của giặc không bén kịp.”. Quân Hán tiếp tục đi về phía nam, ở dưới một tòa núi. Thiền vu ở mặt nam trèo lên núi, sai con trai đem kỵ binh đánh Lăng. Bộ binh Hán ở trong rừng cây, mai phục giết chết vài ngàn kẻ địch, nhân đó phát liên nỗ [20] nhằm vào thiền vu, thiền vu xuống núi chạy trốn. Tù binh Hung Nô bị bắt vào ngày hôm ấy kể rằng: “Thiền vu nói: ‘Đây tinh binh của Hán, đánh mà không thể hạ, ngày đêm dẫn ta về phía nam gần biên giới, phải chăng là có phục binh?’ Các đương hộ, quân trưởng [21] đều nói: ‘Thiền vu tự đem mấy vạn kỵ binh đánh mấy ngàn người Hán mà không thể diệt, ngày sau làm sao tiếp tục sai phái các tộc khác, càng khiến cho Hán xem thường Hung Nô. Hãy tiếp tục chiến đấu trong sơn cốc, còn chừng bốn, năm mười dặm sẽ gặp đất bằng, không thể phá thì về.’” [3][17]

Bấy giờ quân Hán rất nguy cấp, trong khi quân Hung Nô phần nhiều là kỵ binh, nhưng một ngày giao chiến vài mươi hiệp, vẫn sát thương hơn 2000 kẻ địch. Quân Hung Nô thấy bất lợi, muốn rút, gặp lúc có viên Quân hầu tên là Quản Cảm bị Hiệu úy làm nhục [22], trốn sang đầu hàng Hung Nô, nói thật rằng: “Quân của Lăng không có hậu viện, mũi tên đã hết, chỉ còn Hiệu của tướng quân và Thành An hầu, đều có 800 người làm hàng trước, lấy vàng và trắng làm cờ, nên lấy kỵ binh tinh nhuệ bắn vào họ thì lập tức phá được.” (Thành An hầu có tên là Hàn Diên Niên, người quận Dĩnh Xuyên. Cha của Diên Niên là Tế Nam tướng Hàn Thiên Thu, tử trận khi đánh Nam Việt, nên Vũ đế phong Duyên Niên làm hầu, nay làm hiệu úy dưới quyền của Lăng.) Thiền vu được tin thì cả mừng, sai tất cả kỵ binh tấn công quân Hán, hô lớn rằng: “Lý Lăng, Hàn Diên Niên mau đầu hàng.” Quân Hung Nô chẹn đường đánh rát quân Hán; quân Hung Nô ở trên núi, trong khi quân Hán ở dưới sơn cốc. Quân Hung Nô 4 mặt cùng bắn, tên bay như mưa; quân Hán đi về phía nam, còn cách núi Đê Hãn [23] một ngày đường thì hết sạch tên, trước sau đã dùng đến 50 vạn mũi tên. Quân Hán bỏ xe mà đi, còn hơn 3000 người, đành bẻ thanh gỗ của xe làm vũ khí, chỉ các viên trưởng quan mới có lưỡi đao dài chừng 1 thước, tiến vào khe hẹp của sơn cốc. Quân Hung Nô chẹn phía sau, lựa chỗ hiểm yếu lấy đá lấp đường. Quân Hán chết nhiều, không thể đi tiếp. Lúc hoàng hôn, Lăng đổi áo ngắn cộc tay, một mình ra khỏi doanh, ngăn bộ hạ rằng: “Đừng theo ta, trượng phu một mình đi bắt thiền vu.” Hồi lâu Lăng quay về, nói: “Binh bại rồi, chết đi thôi!” Tướng lãnh dưới quyền nói: “Tướng quân uy chấn Hung Nô, dẫu trời khiến cho việc không thành, nhưng ngày sau tìm được lối thoát để quay về, như Trác Dã hầu (tức Triệu Phá Nô) bị giặc bắt được, sau này trốn về, được thiên tử đãi ngộ theo lễ tân khách, huống hồ là trường hợp của tướng quân.” Lăng nói: “Anh đừng nói nữa! Ta không chết thì chẳng phải là tráng sĩ!” Vì thế quân Hán chặt hết tinh kỳ, đem đồ quý giá chôn xuống đất; Lăng than rằng: “Nếu còn vài mươi mũi tên, thì đủ để thoát thân rồi. Nay không còn binh khí để tiếp tục chiến đấu, trời sáng đành bó tay chịu trói mà thôi! Chẳng bằng như chim thú tan chạy, ai chạy thoát thì trở về báo cáo với thiên tử.” Lăng lệnh cho quân sĩ mỗi người đem theo 2 thăng gạo rang, một khối băng, ước hẹn gặp lại ở Già Lỗ chướng. Nửa đêm, Lăng muốn đánh trống khích lệ sĩ khí, nhưng trống không kêu. Lăng và Hàn Diên Niên lên ngựa, tráng sĩ đi theo có hơn 10 người. Vài ngàn kỵ binh Hung Nô đuổi theo, Diên Niên bị giết; Lăng nói: “Không còn mặt mũi gặp lại bệ hạ.” Rồi đầu hàng. Quân sĩ của Lăng phân tán mà chạy, thoát về biên thùy chỉ hơn 400 người.[2][3][17]