最初，单于派人向苏武游说，许以丰厚的奉禄和高官，苏武严辞拒绝了。匈奴见劝说没有用，就决定用酷刑。当时正值严冬，天上下着鹅毛大雪。单于命人把苏武关入一个露天的大地窖，断绝提供食品和水，希望这样可以改变苏武的信念。时间一天天过去，苏武在地窖里受尽了折磨。渴了，他就吃一把雪，饿了，就嚼身上穿的羊皮袄。过了好几天，单于见濒临死亡的苏武仍然没有屈服的`表示，只好把苏武放出来了。
单于知道无论软的，还是硬的，劝说苏武投降都没有希望，但越发敬重苏武的气节，不忍心杀苏武，又不想让他返回自己的国家，于是决定把苏武流放到西伯利亚的贝加尔湖一带，让他去牧羊。临行前，单于召见苏武说：“既然你不投降，那我就让你去放羊，什么时候公羊生了羊羔，我就让你回到中原去。”
与他的同伴分开后，苏武被流放到了人迹罕至的贝加尔湖边。在这里，单凭个人的能力是无论如何也逃不掉的。唯一与苏武作伴的，是那根代表汉朝的使节和一小群羊。苏武每天拿着这根旌节放羊，心想总有一天能够拿着回到自己的国家。这样日复一日，年复一年，使节上面的装饰都掉光了，苏武的头发和胡须也都变白了。
当时在贝加尔湖，苏武牧羊达十九年之久。十几年来，当初下命令囚禁他的匈奴单于已去逝了，就是在苏武的国家，老皇帝也死了，老皇帝的儿子继任皇位。这时候，新单于执行与汉朝和好的政策，汉昭帝立即派使臣把苏武接回自己的国家。
后来，汉朝使者到了匈奴地区，终于得知苏武依然健在，于是扬言说，汉朝的天子在上林苑中射到一只大雁，雁的脚上系着帛书，帛书中清楚地写着苏武在北方的沼泽之中。单于只好把苏武等九人送还。
在昭帝始元六年，即公元前81年，苏武终于回到了长安。第二年，上官桀、上官安父子和桑弘羊被人控告谋反，苏武和上官父子、桑弘羊原来关系很好，加上他的儿子也参与其中，苏武被罢官。昭帝死后，苏武因为参与了拥立汉宣帝，被赐爵关内侯。
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