汉景帝中元六年（公元前144年）六月，匈奴攻入雁门关，到达武泉县；并攻入上郡，抢走了官府牧马场里的马匹。汉朝将士战死的有2000人。
陇西人李广担任上郡太守，曾率领100名骑兵出巡，遇到几千名匈奴骑兵。匈奴人看见李广的部队，还以为是汉军派出来引诱敌人的，都吃了一惊，占据高山摆开阵势。
李广所率领的100名骑兵都很害怕，想骑着马跑回去，李广制止说：“我们离大部队还有几十里，如果就这样往回跑，匈奴骑兵一定会追射我们，很快就会把我们全部消灭掉。现在我们留在这里，匈奴人一定以为我们是诱敌的部队，不敢前来攻击我们。”
于是李广命令手下骑兵：“前进！”距离匈奴军阵2里远的地方，他让大家停下来，下令说：“全部下马，解下马鞍！”
手下骑兵说：“敌人很多，而且离我们很近，万一出现紧急情况怎么办呢？”
李广说：“敌人以为我们会逃跑，现在我让你们都解下马鞍，向他们表示我们不会逃走，以此来坚定他们认为我们是诱敌部队的想法。”结果匈奴骑兵真的不敢进攻。
有一位骑白马的匈奴将领出阵，掩护匈奴军队，李广骑上马，和10多个骑兵飞奔而去，射死了骑白马的匈奴将军；然后又返回到他手下骑兵阵营中，解下马鞍，命令士兵放开战马，然后卧地休息。这时，正好是黄昏，匈奴骑兵一直对李广部队的行为迷惑不解，还是不敢进攻。
到了半夜，匈奴军队仍然认为汉朝军队在附近有埋伏，想趁着夜色袭击他们，于是率领士兵撤走了。黎明时分，李广的小分队才回到他的大军营垒。
汉武帝元光元年（公元前134年），卫尉李广担任骁骑将军，驻守云中郡。中尉程不识担任车骑将军，驻守雁门郡。六月，朝廷罢免了他们二人的军事职务。李广和程不识都以边境郡守的身份指挥军队，在当时很有名气。李广指挥行军没有固定编制和行列阵势，选择水草肥美的地方驻扎下来，人人自便，夜间也不派设巡更士兵敲打着刁斗警卫营盘，军中指挥部的文书简单便捷；但是，李广也远远地派出监视敌军的侦察哨兵，军营未曾遭到袭击。
程不识则整肃军事编制，讲究队列和布阵安营，夜间敲刁斗巡逻，军中官佐处理军队文书一直忙到天明，军队不能随意休息；然而也没有遇到危险。程不识说：“李广的军队很简单随便，但是，如果敌人突然袭击它，就没有办法抵御；而李广的士兵也都很轻松自在，都心甘情愿地为他拼力死战。我的军队虽然军务烦扰，但敌人也不能侵犯我。”但是，匈奴人更害怕李广的谋略，汉军士兵也多数愿意跟随李广作战，而苦于跟随程不识。
元光六年（公元前129年），匈奴入侵上谷郡，杀害抢掠官吏百姓。武帝派遣车骑将军卫青从上谷郡出兵，骑将军公孙敖从代国出兵，轻车将军公孙贺从云中郡出兵，骁骑将军李广从雁门郡出兵，各自率领10000骑兵，出击屯兵在边关贸易市场附近的匈奴军队。
卫青进攻到龙城，斩首和俘获匈奴700多人；公孙贺一无所得；公孙敖被匈奴打败，损失了7000骑兵；李广也被匈奴打败。
匈奴人活捉了李广，把他安置在两匹并行的马匹中间，让他躺在用绳子结成的网袋中，走出了10多里路。李广先是装死，后来突然纵身跃起，跳到了一个匈奴人骑坐的马上，夺得他的弓箭，赶着马向南奔驰，于是，李广得以逃脱归来。
秋季，匈奴用20000骑兵入侵汉境，杀死辽西郡的太守，掳去2000多人，围困韩安国指挥的汉军营垒；又侵入渔阳郡和雁门郡，在两地各杀害或掳掠了1000多人。韩安国迁往更远的东方，率军驻守北平；数月之后，病死。武帝再次起用李广，任命他为右北平郡太守。匈奴称李广为“汉朝的飞将军”，畏避李广，连续几年不敢入侵右北平郡。
元狩四年（公元前119年），汉武帝派出大军袭击匈奴。郎中令李广屡次请求让自己出征，武帝认为他年事已高，没有批准，过了很长时间才答应，任命他为前将军，跟随大将军卫青。
卫青出塞后，自俘虏口中得知单于住地，便亲自率精兵挺进，命李广与右将军赵食其合兵一处，从东路进军。东路要绕道，路途遥远，水源和青草也比较少，李广就向卫青请求说：“我是前将军，应该做前锋，如今您却另外让我从东路进军。而且我从少年时就开始与匈奴作战，直到今天才有机会正面对付单于，所以希望能在大军前面做先锋，先去和单于决一死战。”
临行前，武帝曾私下里告诫卫青，说：“李广年纪已老，运气又不好，不要让他正面攻击单于，不然的话，恐怕他不能完成擒获单于的任务。”而且公孙敖不久前失去侯爵爵位，卫青也想给他立功的机会，让他与自己一同在正面与单于作战，所以将前将军李广调到东路。李广得知内情后，坚决向卫青推辞。卫青没有同意，于是李广没有向卫青辞行，就率领军队出发，心中十分恼怒。
卫青率大军出塞1000余里，横穿大沙漠，见匈奴单于的军队正列阵以待，便下令将兵车环绕一周结成营阵，派出5000骑兵攻击匈奴，匈奴也派出约10000骑兵迎战。恰好太阳将要西沉，狂风忽起，两军士卒相互不能分辨。卫青增派左右两翼的军队包抄单于。单于见汉军人多，兵马仍然很强，估计自己打不过汉军，便乘坐6匹健骡，在数百名精壮骑兵的保护下直冲汉军防线，向西北方向飞奔而去。这时天已黑，汉军与匈奴的将士们仍在激烈搏杀，双方损失大体相当。汉军左翼校尉报告卫青说，他从抓到的俘虏那里得知，单于已在天未黑时离去。于是卫青派出轻骑兵连夜追击，自率大军跟随其后，匈奴兵也四散逃走。将近天明时，汉军已追出200余里，没有抓到单于，但擒获和斩杀匈奴19000余人。于是到颜山赵信城，夺得匈奴的存粮供应军队。在该地停留一日之后，将该城和所余的粮食全部烧光，然后班师而还。李广与赵食其率领的东路军因为没有向导，在沙漠中迷失了方向，所以落到了卫青的后面，没能赶上与单于的战斗。等到卫青率领军队班师，经过沙漠南部时才遇到李广和赵食其二位将军。
卫青派长史责问二人迷路的情况，并命李广到大将军处听候传讯。李广说：“校尉们没有过错，是我自己迷了路，我现在自己到大将军幕府去受审。”他又对自己的部下说：“我从少年时开始作战，与匈奴大大小小打了70多仗，这次有幸跟着大将军出征，能够与单于正面交锋。谁知大将军将我的部队调到东路，路绕且远，结果还迷失了方向，这难道不是天意吗？况且我60多岁了，总不能再去面对那些刀笔小吏吧？”于是拔刀自刎。
李广为人清廉，得到赏赐就分给他的部下，吃喝与士兵一起，在2000石俸禄的职位上做了40多年，家里却没有多余的财产。他的手臂很长，擅长射箭，估计射不中目标就不发箭。他带领军队在困难的情境下找到水源，士兵们还没有都喝到水，李广自己就不喝；士兵们还没有都吃过饭，李广自己就不吃，士兵们因此都乐意追随他。及至李广自杀，全军将士没有不痛哭的；百姓听说后，不管认识还是不认识他的，无论老少都为他流泪。