作战的李广利得知家人被刘彻下狱，想深入匈奴立功赎罪，在郅居水畔与匈奴左贤王等交战，汉军虽取得小胜，但之后汉军疲惫，在燕然山遭匈奴单于五万骑兵拦截，死伤惨重，
入夜后匈奴在汉军后方挖壕沟并发起攻击，汉军大乱，李广利最终投降匈奴，单于将女儿嫁给他，并对其十分宠信。