李广利率领汉军追击，一直追到范夫人城。一路之上，匈奴奔走，莫敢拒抵。
汉军右路军商丘成所率三万余人西出，没有发现敌人，就引兵归还。为此，单于派出手下大将，协同昔日汉将李陵，率领三万骑兵追击汉军。双方转战九日，抵达蒲奴水之后，匈奴兵接战不利，便掉头还去。
三万匈奴精骑对数量差不多的汉军步骑混合军队，竟然不能取胜。这和李陵的眷恋故国情节，肯定大有关系。
汉朝的马通率军向西转到天山进攻左贤王。左贤王派大将偃渠率领部族军队精骑二万人迎击。匈奴人发现前来汉军兵力强盛，人数又多，惊惧之下，没接仗即逃。由此，马通所部汉军未得战果，只得撤退。
此时，汉军主力在李广利率领下，在范夫人城修整，士气弥厉。
和士气高昂的汉军相反，匈奴军数败，士气低落。如果汉军在这个时候见好就收，此役不失为一场胜仗。
恰在此时，长安有个叫随但的太医令和李广利关系极其密切，他从长安派人到军中密见李广利，秘密向这位汉军统帅讲述了一个消息：丞相刘屈牦的夫人诅咒武帝事发，刘屈牦承认曾与李广利共写祷词，欲立昌邑王为帝。为此，盛怒之下，武帝把刘屈牦逮捕，以囚车载入闹市腰斩，其妻子也在华阳门当众枭首。而李广利妻子也因牵连而下狱，等待审判。
听此消息，李广利五雷轰顶。本来李家李延年、李季两兄弟先前都被武帝族诛，当初皇帝还是看在妹妹李夫人面上留了自己一家性命。这次事发，一旦还军回到长安，说不定李家又要面临第二次族诛！
此时，李广利一个心腹，避罪从军的下属胡亚夫劝说道：“夫人、室家皆在吏，若还，不称意，适与狱会，郅居以北，可复得见乎？”
也就是说，您李将军现在宗族家人都在大牢里面，如果您此行再不立功，又牵涉如此大案，还有可能活着回去吗？
惊惧之下，李广利方寸大乱，他只得硬着头皮继续打仗，想深入匈奴立大功，最好能把单于杀掉或者活捉，这样才能将功赎罪。
于是，李广利继续率领汉军深入，长途行军一千余里，到达郅居水上，与狐鹿姑单于主力对阵。
这时候，汉军远离边塞，左右两路侧翼军都已经后撤，完全属于孤军深入。
不过，由于一路所向皆捷，汉军士气和战斗力都很高涨。准备与匈奴开战之时，摩拳擦掌，显然有能力、有信心和匈奴主力拼死搏杀。
匈奴军则心生怯意，不敢与汉军对阵，远远撤到郅居水以北。
作为汉军统帅的李广利，此时不是趾高气扬，而是心乱如麻。他忘了穷寇莫追的古训，派手下领二万精骑度过郅居水，继续深入敌境。
退无可退，匈奴狐鹿姑单于只得派出左贤王、左大将率二万匈奴骑兵迎战汉军。
双方兵力大致相当。大战一天下来，远来赴敌的汉军，竟然大败匈奴军。匈奴骑兵死伤甚众，连左大将也被汉军阵斩。
恰恰在这个时候，统帅李广利家属在长安被拘的消息在汉军中传开。一下子，汉军军心动荡。
军心一乱，猜疑顿起。汉军内部就有不少军官怀疑李广利怀有异心：这么迢迢而来，似乎是有意带领汉军深入绝地，这贰师将军到底葫芦里面卖啥药啊？想拿我们的人头换取匈奴的赏赐？
于是，贰师将军李广利手下长史就和决眭都尉（左火右军）渠侯一起密谋，想在军中逮捕李广利，然后率军回撤汉地。
李广利毕竟是主帅，事先得到消息后，先下手为强，把密谋逮捕自己的长史和军官都抓起来，一起杀掉。
知军心大乱，李广利不得不撤军。于是，在与匈奴大军临阵之时，汉军忽然后撤，从郅居水西向赶往燕然山。
狐鹿姑单于发现汉军忽然后撤，简直不敢相信自己的眼睛。本来自己和部下连战死的心理准备都有了，岂料，如此强大的汉军，忽然不战而退，太让人不可思议了。
很快，单于得知了汉军内乱的情况，大喜。
稍事安排，单于就亲率五万精锐骑兵紧紧尾追汉军。终于，匈奴军在燕然山追上了汉军。
此时此刻，汉军人马疲乏，军心不稳，谣言满天飞，实际上斗志已失。
所以，当匈奴骑兵呼啸而来之时，汉军已经没有了前几天那种昂扬的斗志，他们勉强列阵，与匈奴骑兵缠斗一番之后，才稍稍稳住阵脚。
一战下来，双方都死伤惨重。
狐鹿姑单于看到汉军没有全乱溃逃的意思，知道不可能马上全歼对方，就与部下商议，准备计取汉军。
当时，天色已暗，双方都停止战斗。
李广利知道自己的军队十分疲劳，匆忙下令安营扎寨，准备转天再战。
趁黑，匈奴战士干了一件大苦活儿，他们在汉军前面挖掘出一条深达数尺的大堑壕。
李广利所部汉军疲极，不明就里，也没有对营外匈奴人的举止查验究竟。
半夜时分，绝大部分汉军正在熟睡。突然，号角声起，匈奴人乘夜进攻。
汉军从睡梦中惊醒。匆忙之下，匈奴骑兵从后面攻入营盘。
汉军部队乱成一团，混乱中纷纷逃跑。许多人根本不知道匈奴人已经挖了一条巨大而深的堑壕，在逃跑过程中，纷纷坠落其中，后人砸前人，死伤无数。
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