大宛国的使者随着汉使返回汉朝，发现了汉朝领土广大，人口众多。但是他们自恃离汉甚远，汉朝不能奈何他们，于是日益骄纵。后来汉武帝听说大宛国有宝马在贰师城，却藏匿起来，不肯给汉朝使者观看，这使武帝十分艳羡，于是派壮士车令等人拿着黄金千金及黄金铸成的金马，请求大宛王交换贰师城的宝马。
大宛国素来富有汉朝财物，不再贪求汉的黄金，于是商议说，汉离大宛甚远，并且汉军数次在盐水一带失败、死亡；他们从北边出发有匈奴，从南边出发又缺乏水草，还往往没有城郭居民，难以供给食物；汉朝派数百人前来，常常缺乏食物，死者过半，这样根本不可能派遣大军；况且贰师城的马，乃是大宛国的宝马，不能轻易给人，于是不给汉朝使者交换。
汉使大怒，出言大骂，砸破金马而去。大宛国中的贵人也发怒了，首先把汉使赶走，又叫他们东边的郁成王攻打汉使，结果汉使被杀，财物被抢劫一空。汉武帝闻知大怒，意欲讨伐大宛。曾经出使过大宛的姚定汉等人都说大宛兵少势弱，用不足三千人的汉军，辅以强弓硬弩，就能够攻破大宛。武帝曾经派浞野侯赵破奴攻打楼兰，以先到的七百骑兵，就俘虏了楼兰王，所以认为姚定汉等人的话很对。当时武帝意欲为宠姬李氏一家封侯，就以李广利为将军，攻伐大宛。
李广利的妹妹李夫人得到武帝的宠爱，并生下昌邑王刘?。太初元年（前104），汉武帝以李广利为贰师将军，征发其属国六千骑兵及郡国品行不佳的数万少年，希望一起到贰师城取得宝马，所以号为“贰师将军”，还以原来的浩侯王恢作为向导。
李广利的军队经过盐水一带，路上的小国都坚守城池，不肯供给食物，攻打他们又往往不能攻下。攻下的就能得到食物，攻不下的，只好停留几天就离开了。等到了郁成国城下，只剩下几千士卒，又都疲劳不堪。无奈之下，李广利就派人攻打郁成城，遭到郁成人的反抗，结果伤亡甚众。于是李广利和左右商议，认为郁成尚不能攻下，不可能取得大宛的宝马，因此就引军而还。
往来经过两年，走到敦煌，士卒剩下的不过原来的十分之一二。李广利就派人上疏，以路途遥远，粮食缺乏为借口，希望武帝同意罢军。汉武帝见书大怒，派使者挡住玉门关，下诏说：“军有敢入，斩之。”李广利十分恐惧，就留驻在敦煌。
这年夏天，汉朝在与匈奴的交战中失去了浞野侯的二万多士卒。参与商议的公卿大臣揣摩武帝的心意，主张罢除对大宛的军队，专力攻打匈奴。而汉武帝认为已经出兵讨伐大宛，大宛是个小国尚且不能拿下，那么大夏等国就会逐渐轻视汉朝；同时大宛的宝马不能得到，乌孙、轮台等国更会轻易使汉使受苦，遭到外国人的嗤笑。
于是武帝就对主张罢兵的邓光等人定罪，进行处罚。还赦免囚徒让他们抵御寇盗，征发恶少年及边地骑兵，一年多就有六万人出敦煌，还不算那些背负私粮的以及私自跟随的。另有十万头牛、三万匹马、数万只驴、骆驼来载运粮食和强弓硬弩等设备。为了攻伐大宛国，选派了五十多个校尉，天下人都骚动不安。因为大宛城中无井，需要汲城外流水，于是就派遣水工转徙其城下流水，使水不从城下流过。还征发十八万士卒到酒泉、张掖北，设置居延、休屠二县以保卫酒泉。另外拜两个熟习马的人分别为执马校尉、驱马校尉，准备攻破大宛后，挑选他们的宝马。
一切准备妥当，李广利又带兵出发了。由于他人多势众，路上的小国都主动欢迎他们，并拿出粮食。到了轮台国，轮台人不服，于是就攻打他们，几天就攻破城池，并进行了屠杀。自此而西，一路平安到达了宛城，这时军队约有三万人。
大宛兵迎击汉兵，汉兵大败他们，结果大宛兵跑回坚守城池。李广利派人围困，攻打了四十多天，破了外城，俘虏大宛贵人勇将煎靡。大宛人十分害怕，跑进中城，大宛贵人商议杀掉国王毋寡，交出宝马。于是他们一起杀掉毋寡，拿着他的头颅，派人向汉军讲和，并要挟如果汉军不同意，就杀光宝马，拼死一战。李广利权衡利弊，最终答应了他们的要求，于是就与大宛贵人定了和约。
大宛贵人就拿出他们的宝马，让汉人自行挑选，还拿出很多粮食犒劳汉军。最后，汉军取了好马数十匹，中马以下牝牡三千余匹，同时还立了对汉朝友善的昧蔡为大宛王，与之结盟后而罢兵，始终没能进入大宛的中城。李广利返回以后，汉武帝并不计较他的诸多过失，还封他为海西侯，食邑八千户。十一年后，即征和三年（前90），李广利带领七万骑兵从五原出发，攻打匈奴。结果李广利惨败，投降了匈奴，并被单于杀掉。
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