居顷之，石建卒，於是上召广代建为郎中令。元朔六年，广复为后将军，从大将军军出定襄，击匈奴。诸将多中首虏率，以功为侯者，而广军无功。后二岁，广以郎中令将四千骑出右北平，博望侯张骞将万骑与广俱，异道。行可数百里，匈奴左贤王将四万骑围广，广军士皆恐，广乃使其子敢往驰之。敢独与数十骑驰，直贯胡骑，出其摆布而还，告广曰：“胡虏易与耳。”军士乃安。广为圜陈外向，胡急击之，矢下如雨。汉兵死者过半，汉矢且尽。广乃令士持满毋发，而广身自以大黄射其裨将，杀数人，胡虏益解。会日暮，吏士皆无人色，而广意气自如，益治军。军中自是服其勇也。明日，复力战，而博望侯军亦至，匈奴军乃解去。汉军罢，弗能追。是时广军几没，罢归。汉法，博望侯留迟前期，当死，赎为庶人。广军功自如，无赏。
广既从大将军青击匈奴，既出塞，青捕虏知单于所居，乃自以精兵走之，而令广并於右将军军，出东道。东道少回远，而雄师行水草少，其势不屯行。广自请曰：“臣部为前将军，今大将军乃徙令臣出东道，且臣结发而与匈奴战，今乃一恰当单于，臣愿居前，先死单于。”大将军青亦阴受上诫，觉得李广老，不偶，毋令当单于，恐不得所欲。而是时公孙敖新失侯，为中将军从大将军，大将军亦欲使敖与俱当单于，故徙前将军广。广时知之，固自辞於大将军。大将军不听，令长史封书与广之莫府，曰：“急诣部，如书。”广不谢大将军而起行，意甚愠怒而就部，引兵与右将军食其合军出东道。军亡导，或失道，后大将军。大将军与单于接战，单于遁走，弗能得而还。南绝幕，遇前将军、右将军。广已见大将军，还入军。大将军使长史持糒醪遗广，因问广、食其失道状，青欲上书报天子军盘曲。广未对，大将军使长史急责广之幕府对簿。广曰：“诸校尉无罪，乃我自失道。吾今自上簿。”
李将军广者，陇西成纪人也。其先曰李信，秦时为将，逐得燕太子丹者也。故槐里，徙成纪。广家世世受射。孝文帝十四年，匈奴大入萧关，而广以良家子参军击胡，用善骑射，杀首虏多，为汉中郎。广从弟李蔡亦为郎，皆为武骑常侍，秩八百石。尝从行，有所冲陷折关合格猛兽，而文帝曰：“惜乎，子不遇时！如令子当高帝时，万户侯岂足道哉！”
单于既得陵，素闻其家声，及战又壮，乃以其女妻陵而贵之。汉闻，族陵母老婆。自是以后，李氏名败，而陇西之士居门下者皆用为耻焉。
至莫府，广谓其麾下曰；“广结发与匈奴大小七十馀战，今幸从大将军出接单于兵，而大将军又徙广部行回远，而又丢失道，难道天哉！且广年六十馀矣，终不能复对词讼之吏。”遂引刀自刭。广军士大夫一军皆哭。百姓闻之，知与不知，无老壮皆为垂涕。而右将军独下吏，当死，赎为庶人。
匈奴大入上郡，天子使中朱紫从广勒习兵击匈奴。中朱紫将骑数十纵，见匈奴三人，与战。三人还射，伤中朱紫，杀其骑且尽。中朱紫走广。广曰：“是必射雕者也。”广乃遂从百骑往驰三人。三人亡马步行，行数十里。广令其骑张摆布翼，而广身自射彼三人者，杀其二人，生得一人，果匈奴射雕者也。已缚之上马，望匈奴稀有千骑，见广，觉得诱骑，皆惊，上山陈。广之百骑皆大恐，欲驰还走。广曰：“吾去雄师数十里，今如此以百骑走，匈奴追射我立尽。今我留，匈奴必以我为雄师之诱，必不敢击我。”广令诸骑曰：“前！”前未到匈奴陈二里所，止，令曰：“皆上马解鞍！”其骑曰：“虏多且近，即有急，柰何？”广曰：“彼虏以我为走，今皆解鞍以示不走，用坚其意。”於是胡骑遂不敢击。有白马将出护其兵，李广上马与十馀骑奔射杀胡白马将，而复还至其骑中，解鞍，令士皆纵马卧。是时会暮，胡兵终怪之，不敢击。半夜时，胡兵亦觉得汉有伏军於旁欲夜取之，胡皆引兵而去。黎明，李广乃归其雄师。雄师不知广所之，故弗从。