公元前119年（元狩四年），汉武帝发动漠北之战，由卫青、霍去病各率五万骑兵由定襄、代郡出击跨大漠远征匈奴本部，李广几次请求随行，汉武帝起初以他年老没有答应，后来经不起李广请求，同意他出任前将军。
汉军出塞后，卫青捉到匈奴兵，知道了单于驻地，就自带精兵追逐单于，而命令李广和右将军队伍合并，从东路出击。东路迂回绕远，而且缺乏水草，势必不能并队行进。
李广就请求说：“我的职务是前将军，大将军却命令我从东路出兵，况且我从少年时就与匈奴作战，至今才得到与匈奴对阵的一次机会，我愿做前锋，先与单于决战。”卫青曾暗中受到汉武帝警告，认为李广年老，命运不好，不让他与单于对阵，恐不能实现俘获单于的愿望。当时公孙敖刚刚丢掉了侯爵任中将军，随卫青出征，卫青也想让公孙敖跟自己一起与单于对敌，故意把李广调开，李广也知道内情，所以坚决要求卫青改调令，卫青不答应，命令长史写文书发到李广的幕府，对他说：“赶快到右将军部队中去，照文书上写的办。”李广不向卫青告辞就启程了，心中非常恼怒地前往军部，领兵与赵食其合兵后从东路出发。军队没有向导，有时迷路，结果落在卫青之后，卫青与单于交战，单于逃跑，卫青没能活捉单于只好收兵。卫青南行渡过沙漠，遇到李广与赵食其领。李广谒见大将军后回自己军中。
卫青派长史送给李广干粮和酒，顺便向李广、赵食其询问迷路情况，卫青要给汉武帝上书报告军情。李广没有回答。卫青派长史急令李广幕府人员前去受审对质。
李广说：“校尉们无罪，是我迷失道路，我现亲自到大将军幕府去受审对质。”到大将军幕府，李广对他的部下说：“我从少年起与匈奴作战七十多次，如今有幸随大将军出征同单于军队交战，可是大将军又调我的部队走迂回绕远的路，偏偏迷路，难道不是天意吗？况且我已六十多岁，毕竟不能再受那些刀笔吏的污辱。”于是就拔刀自刎了。李广军中将士都为之痛哭。百姓听到这个消息，不论认识李广否，不论老少都为之落泪。
李广死时，他长子李当户、次子李椒都已经过世，仅留下幼子李敢。李敢当时是霍去病的部下，因立有战功被封为关内侯，听说父亲死讯，认为是卫青任意调离李广，因此打伤卫青。卫青隐藏了李敢的打人不法行为，但卫青的外甥霍去病却不能接受部属殴打自己舅舅，后来甘泉宫狩猎时射杀了李敢。
李广的孙子李陵，爱士卒。天子以为李氏世将，而使将八百骑。尝深入匈奴二千余里，过居延视地形，无所见虏而还。拜为骑都尉，将丹阳楚人五千人，教射酒泉、张掖以屯卫胡。数岁，天汉二年秋，贰师将军李广利将三万骑击匈奴右贤王于祁连天山，而使陵将其射士步兵五千人出居延北可千余里，欲以分匈奴兵，毋令专走贰师也。陵既至期还，而单于以兵八万围击陵军。陵军五千人，兵矢既尽，士死者过半，而所杀伤匈奴亦万余人。且引且战，连斗八日，还未到居延百余里，匈奴遮狭绝道，陵食乏而救兵不到，虏急击招降陵。陵曰：“无面目报陛下。”遂降匈奴。其兵尽没，余亡散得归汉者四百余人。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，族陵母妻子。自是之后，李氏名败，而陇西之士居门下者皆用为耻焉。
后世唐朝皇帝李渊、李世民追李广李敢为先祖。
轶事典故
射石搏虎
李广出猎，看到草丛中的一块石头，以为是老虎，张弓而射，一箭射去把整个箭头都射进了石头里。
仔细看去，原来是石头，过后再射，就怎么也射不进石头里去了。李广一听说哪儿出现老虎，他就常常要亲自去射杀，居守右北平时一次射虎，恶虎扑伤了李广，李广带伤最终竟也射死了这只虎。
桃李不言，下自成蹊
李广英勇善战，历经汉景帝、武帝，立下赫赫战功，对部下也很谦虚和蔼。文帝、匈奴单于都很敬佩他，但年纪不大被迫自杀，许多部下及不相识的人都自动为他痛哭，司马迁称赞他是“桃李不言，下自成蹊”。意寓桃李有芬芳的花朵、甜美的果实，虽然不会说话，但仍然能吸引许多人到树下赏花尝果，以至于树下走出一条小路出来。比喻一个人做了好事，不用张扬，人们就会记住他。只要能做到身教重于言教，为人诚恳，真挚，就会深得人心。只要真诚、忠实，就能感动别人。比喻为人诚挚，自会有强烈的感召力而深得人心。 日本东京成蹊大学即以此为名。
性格特征
李广为将廉洁，常把自己的赏赐分给部下，与士兵同吃同饮。
他做了四十多年俸禄二千石的官，家里没有多少多余的财物，始终不谈购置家产的事，深得官兵爱戴。李广身材高大，臂长如猿，有善射天赋，他的子孙向他人学射箭，但都不及李广。李广不善言辞，与人闲居时亦以射箭来赌酒为乐，一生都以射箭为消遣。李广爱兵如子，凡事能身先士卒。行军遇到缺水断食之时，见水，见食，士兵不全喝到水，他不近水边；士兵不全吃遍，他不尝饭食。对士兵宽缓不苛，这就使得士兵甘愿为他出死力。李广射杀敌人时，要求自己箭无虚发，所以非在数十步之内不射，常常是箭一离弦，敌人应声而亡。也由此多次被敌人围追，射猛兽时也由于距离太近而几次受伤。
历史评价
司马迁：“传曰‘其身正，不令而行；其身不正，虽令不从’。其李将军之谓也？余睹李将军悛悛如鄙人，口不能道辞。及死之日，天下知与不知，皆为尽哀。彼其忠实心诚信于士大夫也？谚曰“桃李不言，下自成蹊”。此言虽小，可以谕大也。”
汉文帝：“惜乎，子不遇时！如令子当高帝时，万户侯岂足道哉！”
公孙昆邪：“李广才气，天下无双，自负其能，数与虏敌战，恐亡之。”
程不识：“李广军极简易，然虏卒犯之，无以禁也；而其士卒亦佚乐，咸乐为之死。
班固：“李将军恂恂如鄙人，口不能出辞，及死之日，天下知与不知皆为流涕，彼其中心诚信于士大夫也。谚曰：“桃李不言，下自成蹊。”此言虽小，可以喻大。然三代之将，道家所忌，自广至陵，遂亡其宗，哀哉！”
司马贞：“猿臂善射，实负其能。解鞍却敌，圆阵摧锋。边郡屡守，大军再从。失道见斥，数奇不封。惜哉名将，天下无双！”
何去非：“昔者，李广之为将军，其材气超绝，汉之边将无出其右者，自汉师之加匈奴，广未尝不任其事。盖以兵居郡者四十余年，以将军出塞者岁相继也，而大小之战七十余。遇以汉武之厚于赏功，自卫、霍之出，克敌而取侯封者数十百人，广之吏士侯者亦且数辈，而广每至于败衄废罪，无尺寸之功以取封爵，卒以失律自裁以当幕府之责。当时、后世之士，莫不共惜其材，而深哀其不偶也。窃尝究之，以广之能而遂至于此者，由其治军不用纪律，此所以勋烈、爵赏皆所不与，而又继之以死也。”“夫李广、李陵皆山西之英将也，材武善战，能得士死力。然轻暴易敌，可以属人，难以专将。世主者苟能因其材而任之，使奋励气节，霆击鸷搏，则前无坚敌，而功烈可期矣。汉武皆乖其所任，二人者终偾蹶而不济，身辱名败，可不惜哉！”
黄震：“李广每战辄北，因踬终身”。
司马光：“效不识，虽无功，犹不败；效李广，鲜不覆亡。”
苏泂：“十载尊前，放歌起舞，人间酒户诗流。尽期君凌厉，羽翮高秋。世事几如人意，儒冠还负身谋。叹天生李广，才气无双，不得封侯。榆关万里，一去飘然，片云甚处神州。应怅望、家人父子，重见无由。陇水寂寥传恨，淮山宛转供愁。这回休也，燕鸿南北，长隔英游。”
叶适：“李广自用兵，人所不及，世或以常律论之，固非矣。”
陈元靓：“雄气旡敌，亦远斥候。能缚射雕，甞格猛兽。有勇有方，少年讷口。千载庙食，斯为不朽。”
解缙：”暴寇之来，必虑其强。善守勿应，若李广、田豫类此。”
李东阳：”匈奴七十战，战战不得当。一当遂失道，愤激摧肝肠。君恩念数奇，将令抑不扬。白头耻下狱，饮泣横干将。“ …
