景帝即位，為騎郎將。吳、楚反時，為驍騎都尉，從太尉亞夫戰昌邑下，顯名。以梁王授廣將軍印，故還，賞不行。為上穀太守，數與匈奴戰。典屬國公孫昆邪為上泣曰：“李廣材氣，天下亡雙，自負其能，數與虜確，恐亡之。”上乃徙廣為上郡太守。
匈奴侵上郡，上使中貴人從廣勒習兵擊匈奴。中貴人者數十騎從，見匈奴三人，與戰。射傷中貴人，殺其騎且盡。中貴人走廣，廣曰：“是必射雕者也。”廣乃從百騎往馳三人。三人亡馬步行，行數十裏。廣令其騎張左右翼，而廣身自射彼三人者，殺其二人，生得一人，果匈奴射雕者也。已縛之上山，望匈奴數千騎，見廣，以為誘騎，驚，上山陳。廣之百騎皆大恐，欲馳還走。廣曰：“我去大軍數十裏，今如此走，匈奴追射，我立盡。今我留，匈奴必以我為大軍之誘，不我擊。”廣令曰：“前！”未到匈奴陳二裏所，止，令曰：“皆下馬解鞍！”騎曰：“虜多如是，解鞍，即急，奈何？”廣曰：“彼虜以我為走，今解鞍以示不去，用堅其意。”有白馬將出護兵。廣上馬，與十餘騎奔射殺白馬將，而複還至其百騎中，解鞍，縱馬臥。時會暮，胡兵終怪之，弗敢擊。夜半，胡兵以為漢有伏軍於傍欲夜取之，即引去。平旦，廣乃歸其大軍。後徙為隴西、北地、雁門、雲中太守。
武帝即位，左右言廣名將也，由是入為未央衛尉，而程不識時亦為長樂衛尉。程不識故與廣俱以邊太守將屯。及出擊胡，而廣行無部曲行陳，就善水草頓舍，人人自便，不擊刁鬥自衛，莫府省文書，然亦遠斥候，未嚐遇害。程不識正部曲行伍營陳，擊刁鬥，吏治軍簿至明，軍不得自便。不識曰：“李將軍極簡易，然虜卒犯之，無以禁；而其士亦佚樂，為之死。我軍雖煩擾，虜亦不得犯我。”是時，漢邊郡李廣、程不識為名將，然匈奴畏廣，士卒多樂從，而苦程不識。不識孝景時以數直諫為太中大夫，為人廉，謹於文法。
後漢誘單於以馬邑城，使大軍伏馬邑傍，而廣為驍騎將軍，屬護軍將軍。單於覺之，去，漢軍皆無功。後四歲，廣以衛尉為將軍，出雁門擊匈奴。匈奴兵多，破廣軍，生得廣。單於素聞廣賢，令曰：“得李廣必生致之。”胡騎得廣，廣時傷，置兩馬間，絡而盛臥。行十餘裏，廣陽死，睨其傍有一兒騎善馬，暫騰而上胡兒馬，因抱兒鞭馬南馳數十裏，得其餘軍。匈奴騎數百追之，廣行取兒弓射殺追騎，以故得脫。於是至漢，漢下廣吏。吏當廣亡失多，為虜所生得，當斬，贖為庶人。
數歲，與故潁陰侯屏居藍田南山中射獵。嚐夜從一騎出，從人田間飲。還至亭，霸陵尉醉，嗬止廣，廣騎曰：“故李將軍。”尉曰：“今將軍尚不得夜行，何故也！”宿廣亭下。居無何，匈奴入遼西，殺太守，敗韓將軍。韓將軍後徙居右北平，死。於是上乃召拜廣為右北平太守。廣請霸陵尉與俱，至軍而斬之，上書自陳謝罪。上報曰：“將軍者，國之爪牙也。《司馬法》曰：‘登車不式，遭喪不服，振旅撫師，以征不服；率三軍之心，同戰士之力，故怒形則千裏竦，威振則萬物伏；是以名聲暴於夷貉，威棱憺乎鄰國。’夫報忿除害，捐殘去殺，朕之所圖於將軍也；若乃免冠徒跣，稽顙請罪，豈朕之指哉！將軍其率師東轅，彌節白檀，以臨右北平盛秋。”廣在郡，匈奴號曰“漢飛將軍”，避之，數歲不入界。
廣出獵，見草中石，以為虎而射之，中石沒矢，視之，石也，他日射之，終不能入矣。廣所居郡聞有虎，常自射之。及居右北平射虎，虎騰傷廣，廣亦射殺之。
石建卒，上召廣代為郎中令。元朔六年，廣複為將軍，從大將軍出定襄。諸將多中首虜率為侯者，而廣軍無功。後三歲，廣以郎中令將四千騎出右北平，博望侯張騫將萬騎與廣俱，異道。行數百裏，匈奴左賢王將四萬騎圍廣，廣軍士皆恐，廣乃使其子敢往馳之。敢從數十騎直貫胡騎，出其左右而還，報廣曰：“胡虜易與耳。”軍士乃安。為圜陳外鄉，胡急擊，矢下如雨。漢兵死者過半，漢矢且盡。廣乃令持滿毋發，而廣身自以大黃射其裨將，殺數人，胡虜益解。會暮，吏士無人色，而廣意氣自如，益治軍。軍中服其勇也。明日，複力戰，而博望侯軍亦至，匈奴乃解去。漢軍罷，弗能追。是時，廣軍幾沒，罷歸。漢法，博望侯後期，當死，贖為庶人。廣軍自當，亡賞。
初，廣與從弟李蔡俱為郎，事文帝。景帝時，蔡積功至二千石。武帝元朔中，為輕車將軍，從大將軍擊右賢王，有功中率，封為樂安侯。元狩二年，代公孫弘為丞相。蔡為人在下中，名聲出廣下遠甚，然廣不得爵邑，官不過九卿。廣之軍吏及士卒或取封侯。廣與望氣王朔語雲：“自漢擊匈奴，廣未嚐不在其中，而諸妄校尉已下，材能不及中，以軍功取侯者數十人。廣不為後人，然終無尺寸功以得封邑者，何也？豈吾相不當侯邪？”朔曰：“將軍自念，豈嚐有恨者乎？”廣曰：“吾為隴西守，羌嚐反，吾誘降者八百餘人，詐而同日殺之，至今恨獨此耳。”朔曰：“禍莫大於殺已降，此乃將軍所以不得侯者也。”
廣曆七郡太守，前後四十餘年，得賞賜，輒分其戲下，飲食與士卒共之。家無餘財，終不言生產事。為人長，爰臂，其善射亦天性，雖子孫他人學者莫能及。廣呐口少言，與人居，則畫地為軍陳，射闊狹以飲。專以射為戲。將兵，乏絕處見水，士卒不盡飲，不近水；不盡餐，不嚐食；寬緩不苛，士以此愛樂為用。其射，見敵，非在數十步之內，度不中不發，發即應弦而倒。用此，其將數困辱，及射猛獸，亦數為所傷雲。
元狩四年，大將軍票騎將軍大擊匈奴，廣數自請行。上以為老，不許；良久乃許之，以為前將軍。
大將軍青出塞，捕虜知單於所居，乃自以精兵走之，而令廣並於右將軍軍，出東道。東道少回遠，大軍行，水草少，其勢不屯行。廣辭曰：“臣部為前將軍，今大將軍乃徙臣出東道，且臣結發而與匈奴戰，乃今一得當單於，臣願居前，先死單於。”大將軍陰受上指，以為李廣數奇，毋令當單於，恐不得所欲。是時，公孫敖新失侯，為中將軍，大將軍亦欲使敖與俱當單於，故徙廣。廣知之，固辭。大將軍弗聽，令長史封書與廣之莫府，曰：“急詣部，如書。”廣不謝大將軍而起行，意象慍怒而就部，引兵與右將軍食其合軍出東道。惑失道，後大將軍。大將軍與單於接戰，單於遁走，弗能得而還。南絕幕，乃遇兩將軍。廣已見大將軍，還入軍。大將軍使長史持糒醪遺廣，因問廣、食其失道狀，曰：“青欲上書報天子失軍曲折。”廣未對。大將軍長史急責廣之莫府上簿。廣曰：“諸校尉亡罪，乃我自失道。吾今自上簿。”
至莫府，謂其麾下曰：“廣結發與匈奴大小七十餘戰，今幸從大將軍出接單於兵，而大將軍徙廣部行回遠，又迷失道，豈非天哉！且廣年六十餘，終不能複對刀筆之吏矣！”遂引刀自剄。百姓聞之，知與不知，老壯皆為垂泣。而右將軍獨下吏，當死，贖為庶人。
廣三子，曰當戶、椒、敢，皆為郎。上與韓嫣戲，嫣少不遜，當戶擊嫣，嫣走，於是上以為能。當戶蚤死，乃拜椒為代郡太守，皆先廣死。廣死軍中時，敢從票騎將軍。廣死明年，李蔡以丞相坐詔賜塚地陽陵當得二十畝，蔡盜取三頃，頗賣得四十餘萬，又盜取神道外壖地一畝葬其中，當下獄，自殺。敢以校尉從票騎將軍擊胡左賢王，力戰，奪左賢王旗鼓，斬首多，賜爵關內侯，食邑二百戶，代廣為郎中令。頃之，怨大將軍青之恨其父，乃擊傷大將軍，大將軍匿諱之。居無何，敢從上雍，至甘泉宮獵，票騎將軍去病怨敢傷青，射殺敢。去病時方貴幸，上為諱，雲“鹿觸殺之”。居歲餘，去病死。
敢有女為太子中人，愛幸。敢男禹有寵於太子，然好利，亦有勇。嚐與侍中貴人飲，侵陵之，莫敢應。後訴之上，上召禹，使刺虎，縣下圈中，未至地，有詔引出之。禹從落中以劍斫絕累，欲刺虎。上壯之，遂救止焉。而當戶有遺腹子陵，將兵擊胡，兵敗，降匈奴。後人告禹謀欲亡從陵，下吏死。
陵字少卿，少為侍中建章監。善騎射，愛人，謙讓下士，甚得名譽。武帝以為有廣之風，使將八百騎，深入匈奴二千餘裏，過居延視地形，不見虜，還。拜為騎都尉，將勇敢五千人，教射酒泉、張掖以備胡。數年，漢遣貳師將軍伐大宛，使陵將五校兵隨後。行至塞，會貳師還。上賜陵書，陵留吏士，與輕騎五百出敦煌，至鹽水，迎貳師還，複留屯張掖。
天漢二年，貳師將三萬騎出酒泉，擊右賢王於天山。召陵，欲使為貳師將輜重。陵召見武台，叩頭自請曰：“臣所將屯邊者，皆荊楚勇士奇材劍客也，力扼虎，射命中，願得自當一隊，到蘭幹山南以分單於兵，毋令專鄉貳師軍。”上曰：“將惡相屬邪！吾發軍多，毋騎予女。”陵對：“無所事騎，臣願以少擊眾，步兵五千人涉單於庭。”上壯而許之，因詔強弩都尉路博德將兵半道迎陵軍。博德故伏波將軍，亦羞為陵後距，奏言：“方秋匈奴馬肥，未可與戰，臣願留陵至春，俱將酒泉、張掖騎各五千人並擊東西浚稽，可必禽也。”書奏，上怒，疑陵悔不欲出而教博德上書，乃詔博德：“吾欲予李陵騎，雲‘欲以少擊眾’。今虜入西河，其引兵走西河，遮鉤營之道。”詔陵：“以九月發，出遮虜鄣，至東浚稽山南龍勒水上，徘徊觀虜，即亡所見，從浞野侯趙破奴故道抵受降城休士，因騎置以聞。所與博德言者雲何？具以書對。”陵於是將其步卒五千人出居延，北行三十日，至浚稽山止營，舉圖所過山川地形，使麾下騎陳步樂還以聞。步樂召見，道陵將率得士死力，上甚說，拜步樂為郎。
陵至浚稽山，與單於相直，騎可三萬圍陵軍。軍居兩山間，以大車為營。陵引士出營外為陳，前行持戟盾，後行持弓弩，令曰：“聞鼓聲而縱，聞金聲而止。”虜見漢軍少，直前就營。陵搏戰攻之，千弩俱發，應弦而倒。虜還走上山，漢軍追擊，殺數千人。單於大驚，召左右地兵八萬餘騎攻陵。陵且戰且引，南行數日，抵山穀中。連戰，士卒中矢傷，三創者載輦，兩創者將車，一創者持兵戰。陵曰：“吾士氣少衰而鼓不起者，何也？軍中豈有女子乎？”始軍出時，關東群盜妻子徙邊者隨軍為卒妻婦，大匿車中。陵搜得，皆劍斬之。明日複戰，斬首三千餘級。引兵東南，循故龍城道行四五日，抵大澤葭葦中，虜從上風縱火，陵亦令軍中縱火以自救。南行至山下，單於在南山上，使其子將騎擊陵。陵軍步鬥樹木間，複殺數千人，因發連弩射單於，單於下走。是日捕得虜，言：“單於曰：‘此漢精兵，擊之不能下，日夜引吾南近塞，得毋有伏兵乎？’諸當戶君長皆言：‘單於自將數萬騎擊漢數千人不能滅，後無以複使邊臣，令漢益輕匈奴。’複力戰山穀間，尚四五十裏得平地，不能破，乃還。”
是時，陵軍益急，匈奴騎多，戰一日數十合，複傷殺虜二千餘人。虜不利，欲去，會陵軍候管敢為校尉所辱，亡降匈奴，具言“陵軍無後救，射矢且盡，獨將軍麾下及成安侯校各八百人為前行，以黃與白為幟，當使精騎射之即破矣。”成安侯者，潁川人，父韓千秋，故濟南相，奮擊南越戰死，武帝封子延年為侯，以校尉隨陵。單於得敢大喜，使騎並攻漢軍，疾呼曰：“李陵、韓延年趣降！”遂遮道急攻陵。陵居穀中，虜在山上，四麵射，矢如雨下。漢軍南行，未至鞮汗山，一日五十萬矢皆盡，即棄車去。士尚三千餘人，徒斬車輻而持之，軍吏持尺刀，抵山入峽穀。單於遮其後，乘隅下壘石，士卒多死，不得行。昏後，陵便衣獨步出營，止左右：“毋隨我，丈夫一取單於耳！”良久，陵還，大息曰：“兵敗，死矣！”軍吏或曰：“將軍威震匈奴，天命不遂，後求道徑還歸，如浞野侯為虜所得，後亡還，天子客遇之，況於將軍乎！”陵曰：“公止！吾不死，非壯士也。”於是盡斬旌旗，及珍寶埋地中，陵歎曰：“複得數十矢，足以脫矣。今無兵複戰，天明坐受縛矣！各鳥獸散，猶有得脫歸報天子者。”令軍士人持二升糒，一半冰，期至遮虜鄣者相待。夜半時，擊鼓起士，鼓不鳴。陵與韓延年俱上馬，壯士從者十餘人。虜騎數千追之，韓延年戰死。陵曰：“無麵目報陛下！”遂降。軍人分散，脫至塞者四百餘人。