此时匈奴入侵辽西，汉军不敌退守右北平郡，朝中大乱。李蔡借机谏言复用李广。李广将那霸陵尉斩首后，才去右北平郡赴任太守之职。

此时军臣单于恰巧去世，突发政变其弟伊稚斜自立为单于，匈奴太子于单逃亡降汉，卫青借此出兵云中，大举收复河南诸地。一时匈奴混乱不堪，节节败退。汉军一路高歌猛进，李广四千铁骑与张骞一万铁骑兵分两路，准备合围左贤王。李广率先与左贤王精兵交锋却也不慌与匈奴大军反复周转，待张骞率军后方包抄，匈奴必败无疑。李广虽已年近六旬却老当益壮，威风不减当年，战场之上仍以一敌十，箭无虚发，一连射杀匈奴诸多将领。汉军一时士气大涨，战至深夜却迟迟不见张骞身影，李广只得率军开始撤退。

第二日清晨才见张骞前来解围，李广几乎全军覆没，张骞军人困马乏，不能追击只好收兵回朝，张骞回朝上奏，左贤王早已料到汉军合围之计，派兵拦截所以未能按约与李广合兵。武帝听后大怒，故技重施要斩张骞。又是众人求情，张骞散尽家财献于朝廷，罢为庶民才得以苟且偷生，李广功过相抵未受处罚。而左贤王逃亡路上被霍去病率军所俘。

元狩四年，武帝发动漠北之战远征匈奴本部，卫青，霍去病因屡立战功主导大军，李广心想堂弟李蔡受封乐安侯，任丞相之职，小儿李敢皆因战功受封关内侯，任郎中令。而自己已六旬有余，时日不多，一生亦未能封侯拜相，遂请求武帝准自己随军同行，武帝认为其年老，命运多舛，起初不准同行，后经不起李广长跪宫外多次请求，便任李广为前将军一同出战。

汉军势如破竹，一举歼灭匈奴各部，终知单于驻地。卫青率本部精兵追逐单于，因出征之前曾受武帝告诫，故意调李广与右将军赵食其合兵。李广亦知卫青怕自己争功，便要求卫青让自己做先锋，先于单于决战。二人一番理论，卫青不肯。李广率亲兵不辞而别，与赵食其合兵向单于驻地而去。

二人合兵因大漠正起风沙，军中又无向导，遂迷失大漠之中。卫青此时已与匈奴单于交兵，虽汉军大胜，但匈奴单于远逃大漠之中。霍去病更是深入大漠俘虏匈奴贵族百人，斩杀匈奴将士近十万，封狼居胥。卫青南行渡沙漠遇到二人军队，二人才知仗已打完。

卫青派长史询问二人迷路情况记录在案以便上奏朝廷。李广羞愧并不作答，那长史回禀。卫青便又令长史传李广亲信前来对质受审，李广对那长史道：“是我迷失路途，他人无罪，我亲自去大将军处对质。”卫青见李广前来主动询问情况，李广道：“我年少从军与匈奴作战百余次，如今有幸随大将军出征交战单于，可大将军调我与右将军合兵迂回绕远，我偏偏迷失大漠之中。岂非天意如此？我已六旬有余，再也经不起笔墨羞辱！”话罢，李广大笑一声，拔刀自刎了。

李广死讯传遍朝野，昔日受李广所惠军士百姓痛哭流涕。李敢因与霍去病深入大漠，知李广死讯已是一年以后。