汉武帝即位后，高度赏识李广的军事才能，任命他为未央宫的卫尉，同期任职的还有李广的好友程不识，同样是卫尉。程不识治军严谨，纪律分明，而李广则随和宽容，对士兵的约束较少，故而士兵们都更愿意追随李广，相比之下，认为程不识过于严苛。
公元前133年，汉武帝策划了一场针对匈奴的伏击战，意图在马邑地区一举生擒匈奴首领军臣单于。在这次战役中，李广被任命为骁骑将军，驻守在马邑周边，但匈奴单于嗅出了汉朝的计谋，未踏入马邑，导致汉军无功而返。
公元前129年，匈奴再次南侵，前锋部队已到达上谷地区（今河北省怀来县一带）。公孙贺、公孙敖、卫青和李广四位将军各领一万骑兵迎敌，卫青在龙城（匈奴祭祀祖先之地）斩杀700余名匈奴兵，而李广则不幸遭遇匈奴主力军的围攻。面对敌人的重重包围，李广麾下的士兵纷纷落马，但他依然顽强抵抗，身负重伤后被匈奴所俘。军臣单于特意下令，务必将李广活捉带回。匈奴用绳网将李广固定在两匹马之间，李广装作垂死，巧妙地麻痹了匈奴士兵。趁对方疏忽之际，李广突然跃上附近一名匈奴士兵的马背，将其推下马，狠抽马臀，急速向汉军方向突围。他边策马疾驰边转身张弓射箭，每一箭都精准命中一名追击的匈奴兵，使得匈奴伤亡惨重，逐渐拉大了与李广的距离。最终，李广成功逃回汉营。尽管李广的箭术卓越，但由于此次战斗中其jūn_duì 几乎全军覆没，且他自己也曾被俘，汉武帝原本裁定他处以斩首之刑，但鉴于他过去的赫赫战功，最终改为贬为庶人。
直至公元前119年，大将军卫青与骠骑将军霍去病率军北伐匈奴，已届高龄的李广依然积极请缨出征。汉武帝感其忠诚，封他为前将军，随同卫青出征。然而，在一次战役中，卫青命李广率部殿后，关键时刻给予支援，却不料李广在沙漠中迷失了方向，错过了关键战斗。与卫青会合时，战事已然结束，卫青为此愤怒斥责李广耽误战机。面对责备，李广悲愤不已，他感慨自己年逾花甲，征战匈奴数十载，却在此时犯下大错，不禁潸然泪下，随后拔剑自刎。待众人上前制止，李广已气绝身亡。李广的死讯传出后，那些曾跟随他多年的将领与士兵无不痛哭流涕，为之哀悼。