李广利得知匈奴大军杀来，连忙命令步兵以战车布阵坚守，自己则亲率骑兵在外围游击，这才顶住了匈奴大军的进攻。

此后，李广利率军与且鞮侯单于在余吾水以南多次交战，虽然李广利和路博德两路汉军会师后，兵力远在匈奴之上，但以步兵为主的汉军，行动却不如匈奴骑兵迅捷，更多以被动应对为主，而难以主动发动进攻。

匈奴军队虽然凭借骑兵的机动优势，牢牢掌握着战场主动权，但由于汉军兵力充足，且应对得当，匈奴大军根本无法突破布阵坚守的汉军阵型，一时间也无法取胜。

双方激战十余日，结果互有胜负，折损兵力也大致相当，谁也无法彻底击败对方。

不过，汉军虽然顶住了匈奴军队的进攻，但随着时间的推移，形势对汉军来说却是越来越不利。原因很简单，匈奴毕竟是主场作战，在后勤补给方面拥有着绝对优势，而汉军不仅是长途奔袭，更由于步骑混编行军较慢，仅是在途中便消耗了大量粮草，虽然后方仍在源源不断的向前线输送粮草，但毕竟路途遥远，补给运送十分困难。

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与匈奴交战十余日后，眼见粮草即将告竭，李广利在无法取得决定性胜利的情况下，为了避免全军陷入困境，只能率领军队撤退。

除了李广利和路博德两路汉军，其余两路汉军的进展同样十分不顺。

公孙敖与李广利遇到了同样的问题，由于其麾下军队以步兵为主，在与左贤王的交战中完全处于被动。李广利尚且能够依靠兵力优势，与且鞮侯单于纠缠十余日而不至于战败，公孙敖的兵力却是不占任何优势，只是与左贤王相当，结果数场大战下来，公孙敖损兵折将十分严重，最终兵败被迫撤军。

至于游击将军韩说，由于其麾下三万军队皆为步兵，行军速度极慢，且鞮侯单于根本没有将其放在眼中，以至于他始终没有找到匈奴军队，最终无功而返。

此战，汉军由于战马不足，无法像早年那样，组织起大规模的骑兵军团，对匈奴发动长途奔袭，受步兵行军速度影响，军队行动较为迟缓，给了匈奴充分准备的时间，再加上迫于沿途的补给问题，不得不分兵多路进击，无法形成优势兵力，最终形成了对峙的局面，导致没有取得什么大的战果。

大军班师之后，得知战果的汉武帝大失所望，李广利、路博德因为斩获折损相当，尚且能够功过相抵；韩说因为未与匈奴遭遇，虽然无功，却也无过。四路大军之中，只有东路的公孙敖，由于损兵折将过多，遭到汉武帝的痛斥。

公孙敖遭到训斥后，担心会因战败被问罪的他，为了替自己脱罪，便对汉武帝谎称，“听俘虏讲，李陵在帮助单于练兵对付汉军，所以我们没能接到他。”直接将自己战败的责任归咎于李陵，毕竟李陵作为汉朝将领，对于汉军作战方式极为熟悉，如果他真的背叛了汉朝，那么自己的战败也就说得过去了。

正所谓“期望越大，失望越大”，对于自己从小看着长大的李陵，汉武帝的期望极大，当初以为其战败身死，汉武帝感到十分悲伤，还准备宽慰他的家人，即便后来得知他是投降了匈奴，心中也没有过多的责备，更没有因此牵连他的家人。后来，在得知李陵是因为力战不敌被迫投降后，汉武帝更是派人慰问其残部，甚至在出兵匈奴之前，还特意嘱咐公孙敖找机会将其接回。

这么多年来，汉武帝何曾对一个战败将领如此用心？如今得知李陵竟然真心归附匈奴，还帮着匈奴人练兵对付汉朝军队，导致此次出战损兵折将、无功而返，汉武帝岂能不恼。

盛怒之下，汉武帝下令将李陵全家处以族刑，其母亲、兄弟和妻子全部被牵连诛杀。消息传开之后，陇西一带士人更是以李陵不能死节而累及家族为耻。

由于公孙敖的诬告，不仅李陵的家人遭到牵连被杀，就连此前替李陵求情的司马迁也遭受牵连，被以“欲沮贰师，为陵游说”定为诬罔之罪，诬罔之罪属于大不敬之罪，按律应当处斩。