西元前一四一年，繼承了漢朝皇帝短命傳統的漢景帝駕崩，享年四十八歲，漢武帝即位。李廣由上郡太守調任衛尉，位列九卿，統率未央宮禁衛軍。這一年，李廣已經年過五十，對於一個征戰沙場多年的軍人來說，李廣渴望在生命的最後階段建功立業，為自己的戎馬生涯畫上一個完美的句號。
西元前一二九年，漢武帝派遣李廣、公孫敖、公孫賀和衛青四將，各率一萬騎兵分別從雁門、雲中、代郡、上谷四個方面同時出擊入侵的匈奴大軍。這次出征，除了李廣之外，其他三名均是血氣方剛的年輕將領，這似乎標誌著一個新時代的到來，暮年的李廣雖是壯心不已，但能否續寫飛將軍的傳奇，一切都是未知數。
結果，漢武帝時期的第一次對匈反擊戰中，李廣遭遇匈奴主力，一萬騎兵全軍覆沒，李廣本人被生俘後逃回。這一戰的失敗，對李廣來說，似乎是一個不祥的預兆。西元前一二三年，李廣以偏將軍的身分隨衛青出征，為衛青麾下六將之一，結果李廣無功而返；西元前一二○年，李廣領兵四千，與匈奴左賢王部的四萬騎兵遭遇，由於張騫的援軍未能及時趕來，又一次全軍覆沒。
西元前一一九年，漢武帝集結十萬鐵騎，派遣衛青、霍去病兩員不世名將，對匈奴發動漠北總攻，意欲一舉平定匈奴之患。這一年，李廣已年過六十，這是漢朝對匈奴的最後一戰，更是李廣軍事生涯中的最後一戰。
未央宮裡，李廣在漢武帝面前老淚縱橫，他請求皇帝給予他最後一次建功立業的機會。望著白髮蒼蒼的李廣，漢武帝起初以他年老沒有答應，後來經不起李廣請求，最終任命他為前將軍跟隨大將軍衛青出征漠北。
最後一次出征，戎馬一生的李廣大概也想過，自己有可能會永遠地留在漠北荒原，但是那又能怎麼樣呢？大丈夫生當建功立業，縱使戰死沙場、馬革裹屍，亦是死而無憾。但是李廣不會想到，等待他的將是一場悲劇。
漠北之戰中，衛青得知匈奴單于本部就在自己的正前方，於是自率精兵，追擊匈奴單于，令前將軍李廣自東路迂回策應。此役衛青穿越大漠，奔襲千餘里，大敗匈奴伊稚斜單于。然而擔任迂回策應任務的李廣，卻因迷路，未能與衛青主力部隊會師，導致合擊計畫破局，未能完成活捉匈奴單于的作戰目標，伊稚斜逃往漠北。
李廣因迷路延誤軍機，按律當追究其罪責，老將軍對自己的部下說：「我從少年起與匈奴作戰七十多次，如今有幸隨大將軍出征同單于軍隊交戰，可是大將軍又調我的部隊走迂回繞遠的路，而我又偏偏迷路，難道不是天意嗎？況且我已六十多歲，不能再受那些刀筆小吏的污辱了。」於是拔刀自刎。
就這樣，一代名將李廣含恨而逝，留下了「李廣難封」的典故，令後人扼腕歎息。
