武字子卿，少以父任，兄弟並為郎，稍遷至栘中廄監。時漢連伐胡，數通使相窺觀。匈奴留漢使郭吉、路充國等前後十餘輩，匈奴使來，漢亦留之以相當。天漢元年，且鞮侯單於初立，恐漢襲之，乃曰：“漢天子我丈人行也。”盡歸漢使路充國等。武帝嘉其義，乃遣武以中郎將使持節送匈奴使留在漢者，因厚賂單於，答其善意。
武與副中郎將張勝及假吏常惠等募士斥候百餘人俱。既至匈奴，置幣遺單於；單於益驕，非漢所望也。方欲發使送武等，會緱王與長水虞常等謀反匈奴中。緱王者，昆邪王姊子也，與昆邪王俱降漢，後隨浞野侯沒胡中，及衛律所將降者，陰相與謀，劫單於母閼氏歸漢。會武等至匈奴。虞常在漢時，素與副張勝相知，私候勝曰：“聞漢天子甚怨衛律，常能為漢伏弩射殺之，吾母與弟在漢，幸蒙其賞賜。”張勝許之，以貨物與常。後月餘，單於出獵，獨閼氏子弟在。虞常等七十餘人欲發，其一人夜亡告之。單於子弟發兵與戰，緱王等皆死，虞常生得。
單於使衛律治其事。張勝聞之，恐前語發，以狀語武。武曰：“事如此，此必及我，見犯乃死，重負國！”欲自殺，勝惠共止之。虞常果引張勝。單於怒，召諸貴人議，欲殺漢使者。左伊秩訾曰：“即謀單於，何以複加？宜皆降之。”單於使衛律召武受辭。武謂惠等：“屈節辱命，雖生何麵目以歸漢？”引佩刀自刺。衛律驚，自抱持武。馳召醫，鑿地為坎，置煴火，覆武其上，蹈其背，以出血。武氣絕，半日複息。惠等哭，輿歸營。單於壯其節，朝夕遣人候問武，而收係張勝。
武益愈。單於使使曉武，會論虞常，欲因此時降武。劍斬虞常已，律曰：“漢使張勝謀殺單於近臣，當死；單於募降者，赦罪。”舉劍欲擊之，勝請降。律謂武曰：“副有罪，當相坐。”武曰：“本無謀，又非親屬，何謂相坐？”複舉劍擬之，武不動。律曰：“蘇君，律前負漢歸匈奴，幸蒙大恩，賜號稱王，擁眾數萬，馬畜彌山，富貴如此。蘇君今日降，明日複然。空以身膏草野，誰複知之？”武不應。律曰：“君因我降，與君為兄弟；今不聽吾計，後雖複欲見我，尚可得乎？”武罵律曰：“汝為人臣子，不顧恩義，畔主背親，為降虜於蠻夷，何以女為見？且單於信女，使決人死生，不平心持正，反欲鬥兩主觀禍敗。南越殺漢使者，屠為九郡；宛王殺漢使者，頭縣北闕；朝鮮殺漢使者，即時誅滅。獨匈奴未耳。若知我不降明，欲令兩國相攻，匈奴之禍，從我始矣！”律知武終不可脅，白單於。單於愈益欲降之。乃幽武置大窖中，絕不飲食。天雨雪。武臥，齧雪與旃毛並咽之，數日不死。匈奴以為神，乃徙武北海上無人處，使牧羝。羝乳，乃得歸。別其官屬常惠等，各置他所。
武既至海上，廩食不至，掘野鼠去屮實而食之。杖漢節牧羊，臥起操持，節旄盡落。積五、六年，單於弟於靬王弋射海上。武能網紡繳，檠弓弩，於靬王愛之，給其衣食。三歲餘，王病，賜武馬畜、服匿、穹廬。王死後，人眾徙去。其冬，丁令盜武牛羊，武複窮厄。
初，武與李陵俱為侍中。武使匈奴明年，陵降，不敢求武。久之，單於使陵至海上，為武置酒設樂。因謂武曰：“單於聞陵與子卿素厚，故使陵來說足下，虛心欲相待。終不得歸漢，空自苦亡人之地，信義安所見乎？前長君為奉車，從至雍棫陽宮，扶輦下除，觸柱，折轅，劾大不敬，伏劍自刎，賜錢二百萬以葬。孺卿從祠河東後土，宦騎與黃門駙馬爭船，推墮駙馬河中，溺死，宦騎亡。詔使孺卿逐捕。不得，惶恐飲藥而死。來時太夫人已不幸，陵送葬至陽陵。子卿婦年少，聞已更嫁矣。獨有女弟二人，兩女一男，今複十餘年，存亡不可知。人生如朝露，何久自苦如此？陵始降時，忽忽如狂，自痛負漢；加以老母係保宮。子卿不欲降，何以過陵？且陛下春秋高，法令亡常，大臣亡罪夷滅者數十家，安危不可知。子卿尚複誰為乎？願聽陵計，勿複有雲！”
武曰：“武父子亡功德，皆為陛下所成就，位列將，爵通侯，兄弟親近，常願肝腦塗地。今得殺身自效，雖蒙斧鉞湯鑊，誠甘樂之。臣事君，猶子事父也。子為父死，亡所恨，願無複再言。”陵與武飲數日，複曰：“子卿，壹聽陵言。”武曰：“自分已死久矣！王必欲降武，請畢今日之歡，效死於前！”陵見其至誠，喟然歎曰：“嗟呼！義士！陵與衛律之罪上通於天！”因泣下沾衿，與武決去。
陵惡自賜武，使其妻賜武牛羊數十頭。後陵複至北海上，語武：“區脫捕得雲中生口，言太守以下吏民皆白服，曰：『上崩。』”武聞之，南鄉號哭，歐血，旦夕臨。數月，昭帝即位。數年，匈奴與漢和親。漢求武等。匈奴詭言武死。後漢使複至匈奴。常惠請其守者與俱，得夜見漢使，具自陳道。教使者謂單於言：“天子射上林中，得雁足有係帛書，言武等在某澤中。”使者大喜，如惠語以讓單於。單於視左右而驚，謝漢使曰：“武等實在。”於是李陵置酒賀武曰：“今足下還歸，揚名於匈奴，功顯於漢室，雖古竹帛所載，丹青所畫，何以過子卿！陵雖駑怯，令漢且貰陵罪，全其老母，使得奮大辱之積誌，庶幾乎曹柯之盟。此陵宿昔之所不忘也！收族陵家，為世大戮，陵尚複何顧乎？已矣！令子卿知吾心耳！異域之人，壹別長絕！”陵起舞，歌曰：“徑萬裏兮度沙幕，為君將兮奮匈奴。路窮絕兮矢刃摧，士眾滅兮名已隤，老母已死，雖欲報恩將安歸？”
陵泣下數行，因與武決。單於召會武官屬，前以降及物故，凡隨武還者九人。武以始元六年春至京師，詔武奉一太牢謁武帝園廟，拜為典屬國，秩中二千石，賜錢二百萬，公田二頃，宅一區。常惠徐聖趙終根皆拜為中郎，賜帛各二百匹。其餘六人，老歸家，賜錢人十萬，複終身。常惠後至右將軍，封列侯，自有傳。武留匈奴凡十九歲，始以強壯出，及還，須發盡白。