可以向天下人交代了。李陵不肯馬上去死，準有他的主意。他一定還想將功贖罪來報答陛下。”武帝聽了，認為司馬遷這樣為李陵辯護，有意貶低李廣利（李廣利是漢武帝寵妃李夫人的哥哥），便勃然大怒，說：“你這樣替投降敵人的叛徒強辯，是不是存心反對朝廷？”便把司馬遷下了監獄，交給廷尉處理。

司馬遷被關進監獄以後，案子落到了當時臭名昭著的酷吏杜周手中，杜周嚴刑審訊司馬遷，司馬遷忍受了各種肉體和精神上的殘酷折磨。面對酷吏，他始終不屈服，也不認罪。司馬遷在獄中反覆不停地問自己：“這是我的罪嗎？這是我的罪嗎？我一個做臣子的，就不能發表點意見？”

不久，有傳聞說李陵曾帶匈奴兵攻打漢朝。漢武帝信以為真，便草率地處死了李陵的母親、妻子和兒子。司馬遷也因此事被判了死刑。第二年漢武帝殺了李陵全家，處司馬遷死刑。但是漢朝的死刑要免死的話可以接受兩條路，要不交50萬錢，要不接受宮刑，宮刑是個奇恥大辱，汙及先人，見笑親友。

後來司馬遷在《報任少卿書》中提及此事中說道：“遭遇此禍，重為鄉黨所戳笑，以汙辱先人，亦何面目覆上父母之丘墓乎，雖累百世，垢彌甚耳，是以腸一日而九回，居則忽忽若有所亡，出則不知其所往，每念斯恥，汗未嘗不發背沾衣也。”在獄中，又備受凌辱，“交手足，受木索，暴肌膚，受榜棰，幽於圜牆之中，當此之時，見獄吏則頭搶地，視徒