令人頗感詫異的是，漢武帝把遠征大宛的任務交給從未上過戰場的李廣利。這是怎麼回事呢？原來李廣利的妹妹是漢武帝最寵幸的李夫人，隻是紅顏薄命，年紀輕輕就死了。臨死之前，李夫人請求皇帝關照她的兄弟李廣利。漢武帝想當然地以為遠征大宛是手到擒來之事，不如讓李廣利有個立功的機會，也好名正言順地封他為侯。
就這樣，對軍事一竅不通的李廣利成為西征軍統帥。漢武帝撥給他的軍隊遠不止三千人，而有數萬之多，其中包括六千名胡人兵團（以歸降的匈奴人為主）。遠征大宛的目的，除了為車令使團複仇之外，更重要的是奪取大宛貳師城內的汗血寶馬。漢武帝拜李廣利為貳師將軍，從這個頭銜可以看出，得不到汗血寶馬，皇帝是不會善罷甘休的。
貳師將軍李廣利率數萬人馬向西域挺進，出玉門關後，沿著塔裏木盆地北道行軍。很快，他就意識到問題的嚴重性了。
首先是補給的問題。越往西行，離邊境越遠，糧草、水的補給都得就地解決，可是沿途經過的西域國家，都拒絕為漢軍提供糧食物資，人家沒這個義務。李廣利不得已，隻得下令攻打拒絕提供糧食的國家。大家想想，士兵們餓著肚子，想要攻下這些國家的城堡，也不是容易的事情，很多時候隻能放棄，繞城而走。
越往西去，氣候越幹旱，缺水少糧的遠征軍數量銳減，死亡人數與日俱增。這幾乎是死亡行軍，從玉門關出發時有數萬人，行至大宛國境時隻剩下數千人。仗還沒有開打，遠征軍已經減員八九成。活下來的幾千人，經長途行軍與饑餓的折磨，也毫無戰鬥力可言。
大宛鬱成王發現他麵對的隻是一支人數稀少、疲憊不堪的漢軍時，毫不猶豫地出擊。這一戰，李廣利兵團大敗。千辛萬苦才到大宛，第一次交鋒就打殘了，剩下的烏合之眾，就是打土匪也不見得有勝算。無奈之下，李廣利被迫撤退。
疲憊之師又踏上通往茫茫沙漠之路，仍是一次死亡行軍。數千人撤退，回到玉門關時僅剩下數百人。李廣利心裏明白，這件事沒法向皇帝交代。他沒敢踏入玉門關內，在關外給皇帝上了一折奏疏，為失敗的軍事行動辯解，將原因歸結於饑餓與兵力不足，請求班師回京。
漢武帝聞訊目瞪口呆，無法相信這樣的結果。你李廣利丟的是朕的麵子！他簡直快發瘋了，派人快馬傳諭李廣利：“膽敢入玉門關者，殺無赦。”李廣利嚇得魂不附體，提心吊膽地等待皇帝下一步的指示。
怎麼辦？大宛還打不打？大臣們力主放棄遠征大宛，偏偏漢武帝死要麵子，不達目的不肯罷休，他一意孤行，決心將戰爭進行到底。
這次投入的兵力更加龐大，除了征調部分邊關騎兵外，又從各郡國征發囚犯與惡少年參軍入伍總計有六萬多人。漢武帝還嫌不足，又征天下七科謫。所謂七科謫，就是七種沒有社會地位的賤民，包括吏有罪（犯了法的小吏）、亡命（流浪漢）、贅婿（男人入贅妻家）、賈人（做小買賣的零售商人）、原有市籍者（曾經在官府登記注冊從事小買賣的商人）、父母輩有市籍者、祖父母輩有市籍者。漢代重農抑商，你做小買賣，就是奸商，即便你沒做生意，你爹娘、爺爺奶奶做過生意，你就躲不過賤民的身份。
除此之外，為解決補給問題，朝廷給遠征軍配備大量後勤人員，以及十萬頭牛、三萬匹馬、一萬多頭驢和駱駝，還補充大量的兵器以及糧秣。這樣，遠征軍總人數加起來不下十萬。
西征軍的統帥，仍是貳師將軍李廣利。
早年的漢武帝頗有識人、用人之明，大膽起用衛青、霍去病，成就兩位軍事天才之名。然而越到晚年，漢武帝在用人上越發混亂，比如朝鮮戰爭中任用兩員大將，在前線相互拆台。至於用李廣利，則完全是看在李夫人的麵子上。李夫人雖死，在漢武帝心裏分量確實挺重，否則李廣利早就被砍了腦袋。
李廣利又一次兵進西域，而且兵力更強。原先不合作的西域諸國開始害怕了，大漢帝國是動真格了，萬萬不能得罪。於是許多國家來了一百八十度的轉變，主動向漢軍提供糧食與住所。但仍然有些國家不合作，其中態度最強硬的是輪台。
遠征軍行經輪台，輪台政府關閉城門，拒絕漢軍入城。李廣利大怒，下令攻打輪台。漢軍兵強馬壯，輪台如何抵擋，經過幾天的血戰，終於陷落。為殺雞駭猴，李廣利下令屠城，血洗輪台。大屠殺的消息傳出，西域諸國無不駭然，輪台以西的國家，沒有一個敢違抗李廣利，全都大開城門迎接漢師。