汉朝派到西域去的使臣回来对汉武帝说：“大宛有好马，这些马藏在贰师城中，他们不肯献给汉使。（宛有善马，在贰师城，匿不肯与汉使。）”于是汉武帝派壮士车令等带着黄金千斤和金马前往大宛，准备以此与大宛交换。
大宛国王和群臣商议道：“汉朝离我国很远，而盐中道路艰难，屡屡致人死亡；如从北路来，有匈奴骚扰；从南路来，没有水草，又往往缺少城郭、食粮。汉朝派数百人作为使团前来，还常因缺乏粮食死亡过半，怎能派大军前来呢！所以汉朝对咱们无可奈何。贰师城的马，可是咱们大宛国的宝马啊。（汉去我远，而盐水中数败，出其北有胡寇，出其南乏水草，又且往往而绝邑，乏食者多，汉使数百人为辈来，而常乏食，死者过半，是安能致大军乎！无柰我何。贰师马，宛宝马也。）”于是不肯给汉使。汉使大怒，破口大骂，当面用锤击破金马而去。大宛众贵族生气地说：“汉使太轻视我们！（汉使至轻我！）”于是大宛先让汉使离去，然后命驻守东部边境的郁成王率兵拦截，杀死汉使，夺取了汉使携带的财物。
消息传到长安，汉武帝听说后大怒。曾经出使大宛的姚定汉等奏道：“大宛军事力量薄弱，只要派去三千人马，用强弩射杀，就可将其全部俘获。（宛兵弱，诚以汉兵不过三千人，强弩射之，可尽虏矣。）”汉武帝因曾经派浞野侯赵破奴率七百骑兵生擒过楼兰王，认为姚定汉等说得对；况且，汉武帝此时正想封宠姬李夫人家人为侯，于是任命李夫人的哥哥李广利为贰师将军，征发附属国骑兵六千及各郡、国品行恶劣的青年数万人，前往征讨大宛国。期望李广利到贰师城取得好马，所以称他为贰师将军。另外又任命赵始成为军正官，原浩侯王恢为军前向导，李哆为校尉，负责军事指挥。
贰师将军李广利率兵西征，过盐泽之后，沿途小国都据城自守，不肯供应汉军粮食，攻又攻不下；攻下之后，粮食自可得到补充；如不能攻破，数日后便离去。等到达郁成时，西征大军只剩下数千人，且全都处于饥饿疲惫状态。汉军进攻郁成，反被镇守郁成的军队打得大败，自己伤亡惨重。
于是李广利和李哆、赵始成等商议道：“到郁成尚且不能攻破，更何况到大宛的国都呢！（至郁成尚不能举，况至其王都乎！）”于是就领兵返回。到敦煌时，士兵只剩下出征时的十分之一二。李广利派人上奏汉武帝：“道路遥远，粮食缺乏，将士们虽不惧战斗，但饥饿难忍；况且人数太少，不足以攻下大宛，希望能暂且罢兵，待证调更多的军队后再前往征讨。（道远乏食，且士卒不患战而患饥，人少，不足以拔宛，愿且罢兵，益发而复往。）”汉武帝闻奏后大怒，派使臣至玉门阻拦，同时下令：“军队有胆敢退入玉门关的，一律斩首！（军有敢入者辄斩之！）”李广利大为惶恐，不得不留在敦煌。
汉朝丧失了赵破奴这支部队后，议论此事的公卿大臣们都希望停止征讨大宛，集中全力对付匈奴。而汉武帝则认为，既已出兵征讨大宛，如果连大宛这样一个小国都不能征服，那么大夏等国将逐渐轻视汉朝，大宛的好马不会来，乌孙、轮台等国将随意虐待汉朝使团，从而使汉朝遭到外国的耻笑。于是汉武帝处罚了认为征讨大宛不利的邓光等人。同时赦免正在服刑的囚徒，征发品行恶劣的青年和边塞地区的骑兵，一年多的时间里派到敦煌增援贰师将军李广利的人达六万多人，这还不包括背负私人装备而跟从的人。另外，又征调了十万头牛，三万匹马，数以万计的驴、骆驼等，以及十分充足的粮食和兵器弓弩。从各地调到征讨大宛部队中的校尉军官也达五十余名。
考虑到大宛城中无井，靠汲引城外河水使用，所以汉武帝又派水工随军前往，准备将大宛城外河水引向别处，利用旧水道挖洞攻城。又增调了十八万戍卒进驻酒泉、张掖以北地区，并在居延、休屠两地屯兵以卫护酒泉。汉武帝下令：全国犯罪的官吏、逃亡者、入赘妇家的男子、商人、原属商人户籍者、其父母或祖父母属商人户籍者，共七种人，一律谪罚为兵。为贰师运送粮食的车辆和役夫络绎不绝。汉武帝还任命两名熟悉马匹情况的人充当执马校尉和驱马校尉，预备在攻破大宛后挑选好马。
贰师将军李广利得到巨大的人力物力增援后，再次出征。由于汉军兵人数众多，所到之处，西域各小国无不迎接，为汉军提供粮食供应。行至轮台，轮台国不降，汉军攻城数日，破城之后在城中进行了一场大屠杀。自此向西，汉军一路平安推进，直抵大宛城下，到达的士兵共三万人。大宛军队出城迎击，汉军以箭射杀，大宛军大败，逃归城中拒守。李广利本想攻取郁成城，又恐怕一时难于攻克，反使大宛生出其他计谋，于是先到大宛城，把水源挖开，引向别处。城中的大宛军民本已忧愁困扰，汉军再将全城包围攻击四十余日。大宛贵族密谋道：“大王母寡将好马隐藏起来，又杀死汉朝使臣，如今咱们将大王杀死，把好马献出，汉军就会解围而去；如仍不解围退兵，我们再拼死力战，也为时未晚。（王母寡匿善马，杀汉使，今杀王而出善马，汉兵宜解；即不解，乃力战而死，未晚也。）”大家都表示同意，于是大臣们一起将大宛王杀死。此时大宛的外城已破，大宛的贵族猛将煎靡被汉军俘获。大宛人极为恐慌，他们逃入内城，派人手持大宛王母寡的人头前去见李广利，说：“汉军如不进攻我们，我们将把所有的好马都拿出来，任凭汉军随意挑选，并为汉军提供粮食。如不接受我们的建议，我们将杀死所有的好马。康居的援兵又即将到达，援兵一到，我们居内，康居兵居外，两面夹击汉军。请将军仔细考虑，怎么办好？（汉无攻我，我尽出善马恣所取，而给汉军食。即不听，我尽杀善马，康居之救又且至，至，我居内，康居居外，与汉军战。孰计之，何从？）”此时，康居探知汉军还很强盛，不敢前进。李广利闻知大宛城中新近抓到一些汉人，懂得了凿井技术，且城中粮食尚多，因而考虑：“此次前来主要是为了诛杀罪魁祸首母寡，而今母寡的人头已然送到，这样再不接受他们的请求，他们必定会坚守城池，而康居等到汉军疲惫来援救大宛，汉兵必为其所败。（来诛首恶者母寡，母寡头已至，如此不许则坚守，而康居候汉兵罢来救宛，破汉兵必矣；）”所以接受了大宛的求和条件。于是，大宛将马献出，让汉军自己选择，并拿出大批粮食供给汉军。汉军挑选了数十匹好马，中等及以下的雌、雄马三千余匹，又扶立过去对汉朝态度友好的大宛贵族昧蔡登上大宛国王位，与其订立盟约后罢兵而还。
当初，李广利自敦煌起兵西进时，分兵数路，分别从南、北两条道路进兵。校尉王申生另率一千余人到郁成，被郁成王消灭。只有数人得脱，逃到李广利大军。李广利命搜粟都尉上官桀率兵前往攻打郁成，郁成王兵败逃到康居，上官桀也追到康居。康居王听说汉军已打败大宛，便将郁成王献给上官桀，上官桀命四名骑兵将郁成王捆绑押送李广利军营。上骑士赵弟怕郁成王在半路上逃跑，拔剑将郁成王人头砍下后，追上李广利大军。
四年（庚辰，公元前101 年）春，贰师将军李广利回到京城长安。沿途经过的西域小国听说大宛被汉军攻破，全都派其子弟跟随李广利来到长安向汉朝进贡、拜见汉武帝，并留在长安充当人质。大军回来时，入关的马有一千余匹。此番再次出征，并非缺乏军粮，战死的人也不太多，只因将领贪暴，不爱惜士卒，掠夺、虐待他们，因此死亡很多。汉武帝因李广利万里征伐，所以不计其过失，下诏书封李广利为海西侯，赵弟为新侯，任命上官桀为少府，其他军官为九卿的三人，任诸侯国相、郡太守、二千石官职的一百余人，任一千石及以下官职的一千余人。凡自愿随军出征的人，所授官职都超出了他们自己的希望；凡因罪过而谪罚出征的人，一律免其罪而不记功劳；对士卒的赏赐价值四万钱。
西征大宛是汉武帝穷兵黩武的典型案例。他为了讨好倾国倾城的李夫人，不惜耗费全国的人力、财力，只可惜贰师将军李广利不是窦婴、也不是卫青，而是个扶不起来的猪大肠。
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