巨石旁伏着一只猛虎，正虎视眈眈地盯着队伍。李广心中一惊，当即取弓搭箭，用尽全身力气射出。只听“噗”的一声，箭矢正中“猛虎”。待手下骑士上前查看时，却发现那并非猛虎，而是一块形似猛虎的巨石，而李广射出的箭矢，竟整个箭头都嵌入了石棱之中，只余下箭杆在外。众人皆惊叹不已，李广自己也颇为诧异，随后又尝试射了几箭，却再也无法将箭矢射入石中。此事传开后，“飞将军”的威名更盛，匈奴人听闻后，更是对他敬畏有加。
汉武帝即位后，汉朝经过文景之治的积累，国力已极为强盛，府库充盈，兵马强壮，武帝便有了改变“和亲”政策、对匈奴发起战略反击的想法。元光二年（公元前133年），大行王恢向武帝献上“马邑之谋”——利用匈奴单于贪图财物的特点，以马邑城（今山西朔州）为诱饵，诱使匈奴单于率大军前来，再埋伏汉军主力，将其一举歼灭。
武帝采纳了王恢的建议，任命韩安国为护军将军，统领全军，李广任骁骑将军，公孙贺任轻车将军，王恢任将屯将军，李息任材官将军，共调集三十万汉军，分别埋伏在马邑城周围的山谷之中，只待匈奴单于入瓮。
按照计划，首先由马邑城的富豪聂壹出面，假装背叛汉朝，向匈奴单于献上马邑城，称愿为内应，斩杀马邑城守将，将城池与城中财物献给单于。匈奴单于久闻聂壹之名，又贪图马邑城的财富，便信以为真，率领十万铁骑，从代郡出发，向马邑城进发。
李广率领的骁骑部队，被部署在马邑城西北的山谷中，这是匈奴单于撤军的必经之路，武帝命他在此设伏，待匈奴军进入山谷后，便截断其退路，与其他部队夹击匈奴。李广领命后，率部进入山谷，依山布阵，将士们皆偃旗息鼓，耐心等待匈奴军的到来。
匈奴单于率领大军，一路顺利，行至距马邑城百余里时，却忽然心生疑虑——沿途只见遍野的牲畜，却不见一个放牧的百姓，这与以往汉朝边郡的景象截然不同。单于素来谨慎，当即下令大军停止前进，派少量骑兵前往附近村落侦查。恰好此时，汉军一名尉史（负责巡逻的低级军官）因迷路，被匈奴骑兵擒获。这尉史贪生怕死，竟将汉军在马邑周围设伏的全盘计划，一五一十地告诉了匈奴单于。
单于听闻后，大惊失色，冷汗直流，当即下令大军火速撤退。为防汉军追击，单于还命部分骑兵断后，沿途销毁桥梁、焚烧粮草。
此时，埋伏在山谷中的李广，正焦急地等待着匈奴军的到来。他不时派人登高了望，却始终不见匈奴军的踪影。直到天色渐暗，才有侦查兵回报，称匈奴军已撤军，且沿途设防，汉军难以追击。李广听闻后，不禁扼腕叹息：“天不助汉呀！”随后，他率部走出山谷，与其他汉军部队会合，此时韩安国、公孙贺等人也已得知匈奴撤军的消息，只得下令撤兵。
一场精心策划、动用三十万大军的伏击战，最终因一名尉史的泄密而功亏一篑。马邑之谋失败后，武帝大怒，将王恢下狱，李广虽未获罪，却也错失了一次大破匈奴、立功封侯的绝佳机会。
此次事件后，汉匈关系彻底破裂，匈奴断绝了与汉朝的和亲，更加频繁地入侵边郡，而汉朝也正式开启了对匈奴的大规模军事反击，李广的战场，也从之前的“边境防御”，转向了“主动出击”。
元狩四年（