西征兵團一路通行無阻，抵達大宛。
鬱成王見漢軍人多勢眾，不敢出城迎戰，隻是固守鬱成城。李廣利留下部分兵力監視，主力則繞城而過，直撲大宛首都貴山城。
漢軍先頭部隊三萬人抵達貴山城外，大宛王想先聲奪人，率軍出城作戰。一戰下來，大宛王自知不是漢軍對手，隻得收羅殘兵敗將，退入貴山城固守。為了應對漢軍報複，大宛王作了充分的準備，事先儲備大量糧食，足夠貴山城軍民吃一年以上。
不過，大宛王忽略一件事，光有糧食還不夠，還得儲備足夠的淡水才行。這回，李廣利帶來一支特殊的部隊，是一支水利工程隊。這支部隊有一個特殊的使命，便是截斷流向貴山城的河水，迫使河流改道。一旦沒有足夠的淡水，貴山城很快就會陷入癱瘓，不攻自破。
李廣利這一招實在厲害，幸好大宛王急中生智，想起城內關押一批漢軍俘虜。這批俘虜來自漢地，不少人懂得鑿井技術。大宛國地處費爾幹納盆地，地下水資源豐富，大宛王利用戰俘鑿井，漸漸地淡水可以自給了。
截流困城計劃失敗，李廣利隻能強攻。
貴山城之戰持續整整四十天，漢軍終於取得重大進展，攻克貴山城的外城，生擒其大將。大宛守軍被迫退入內城，繼續頑抗，並向鄰國康居求援。康居援軍出動，行至大宛邊境，見漢軍人多勢眾，未敢貿然行事，隻是按兵不動，靜觀事態的發展。
自貴山外城丟失後，大宛貴族們開始恐慌失措。他們將責任推到國王身上，若不是大宛王下令屠殺漢使團，怎會招致漢軍報複呢？想到李廣利在輪台的大屠殺，貴族們個個心寒，為了保全自己小命，隻能借大宛王的人頭與李廣利談和。
貴族們秘密協商後，發動政變，殺死大宛王，斬下首級，交給李廣利，並說道：“截殺漢使的命令，乃是大宛王下達，我們把大宛王的人頭獻上。您若停止進攻，我們就交出汗血馬，任由你們挑選，並為貴軍提供糧食。若決意再戰，我等將殺死所有汗血馬。我們已向康居國求援，若康居參戰，結局尚未可知呢。”
李廣利遠離國土作戰，頗擔心康居國卷入大宛戰爭。如今首惡元凶大宛王已伏誅，貴族們答應獻上汗血馬，任務算圓滿完成了，應該見好就收，便同意與大宛講和。大宛貴族們信守承諾，貳師城內的汗血馬任由漢軍挑選，總計挑了上等良馬數十匹，中等馬匹以及母馬三千多匹，以為繁衍所用。
另一位戰爭元凶、殺害漢使的鬱成王逃往康居，上官桀率追兵緊咬不放，一直追擊到大宛與康居的邊境。由於大宛已投降，康居王不願得罪李廣利，遂交出鬱成王。鬱成王步大宛王的後塵，被斬首以祭車令。
第二次大宛戰爭以漢軍勝利而告終，但贏得不漂亮，代價驚人。
出玉門關時，漢軍僅戰鬥人員就有六萬多人，還不包括運輸部隊。當李廣利第二度返回玉門，生還者僅一萬多人。第二次西征是比較順利的，漢軍並沒有發生缺糧的情況，戰鬥中的傷亡也不大，是什麼原因導致士兵的大量死亡呢？
根據史料所記：“貳師後行，軍非乏食，戰死不能多，而將吏貪，多不愛士卒，侵牟之，以此物故眾。”原來是貳師將軍縱容手下官吏虐待士兵，由於士兵的組成主要是囚犯、惡少年及七科謫，均來自社會底層，受到各級官吏的壓榨迫害，在不缺糧食的情況下，居然導致數萬人拋屍於野外。
兩次遠征大宛，漢軍死亡人數估計有十萬人左右，絕大多數是非戰鬥性死亡。對此，李廣利負有不可推卸的責任。
一將功成萬骨枯，十萬漢軍屍骨鋪就李廣利的錦繡前程。凱旋回國後，他不僅未受到漢武帝的批評，還被封為海西侯，日後還成為漢軍最高統帥。朝鮮之役，荀彘有大功卻被誅殺；大宛之役，李廣利有大過卻被封侯。這種差別，足見漢武帝任人唯親，賞罰尺度隻是憑著自己的喜好。
當然，大宛戰爭並非一無所獲，至少表明帝國政府有能力在遠離國門之外，打贏一場區域戰爭。這場戰爭，令大漢帝國威震萬裏之外，對日後經營西域，產生了巨大的影響。