李广利率领将士出玉门，经盐泽，沿途统是沙碛，共长一千三百里，草木不生，水又咸苦不可饮。且四望漫漫，并无一定道路，汉兵忍不住饥渴，往往倒毙，及抵郁成，李广利点检人马只余数千，且都疲乏饥饿面无人色。郁成王闻信闭城拒守。李广利挥兵攻城，城中出兵迎击。汉兵虽拚死力斗，究竟食少势孤不能取胜，又折伤了一半人马。

李广利乘夜悄悄退去，又经过许多跋涉方到敦煌。往来行了二年，生还之人不过十之一二。李广利使人上书武帝，备言路远乏食，兵士不苦战斗但苦饥饿，现在人少不足破宛，请暂罢兵，俟添发军队再行前往。

武帝征宛满拟指日成功，谁知李广利反请罢休，不由动起怒来，于是遣使遮住玉门关，传谕李广利如有一人敢入此关，立即斩首！

李广利奉到此谕，没奈何留驻敦煌静待后命。

这期间还发生了一起改变李广利家族势力的大事情，当时李广利的兄弟李季“奸”乱后宫，被汉武帝下令族灭。李广利因为正在攻打大宛未归，没有受到李季牵连。

汉武帝决计向宛添兵，大赦罪犯，尽发各地恶少年悉数当兵，佐以沿边马队，共得骑卒六万，步卒七万，备足饷械，接济贰师将军。又发天下七科谪戍使他运粮。并派出都尉两员，一号执马，一号驱马，待攻破大宛便好牵马归来。李广利既得大兵当然再往，经过郁成城时本拟一击泄恨，但恐宛人日久备厚，不如直攻宛都，乃绕出郁成进薄宛都贵山城。

宛人不知掘井，城中并无井水，皆由城外作沟引取流水入城。李广利既到城下，便将水源决向它流。城中绝了水源，人心已觉惊惶。汉兵又围攻四十余日，竟将外城攻破，并擒得宛国勇将煎靡。

宛人失去外城，越觉焦急，于是诸贵官相与私谋道：“汉朝之所以来攻打大宛，是因为我们的国王毋寡隐藏了好马而杀害了汉朝使者。如果杀掉国王毋寡并拿出好马，汉军之围当可解脱；万一汉将不从，我等再背城一战，死亦未迟。”大众都赞成，于是攻杀宛王毋寡，枭取首级使人持至汉营，面见李广利道：“宛人未敢轻汉，咎在宛王一人，今已奉献王首，请将军勿再攻城。宛人当尽出良马任令择取，且愿供给军粮。如将军不肯允许，宛人将尽杀良马与决死战！”李广利立聚诸将议道：“听说宛城中新获汉人，已知穿井之法，城中不患无水，且蓄积粮食甚多。我兵此来已取得毋寡首级，不如趁此讲和。”诸将都说可以，李广利遂许宛人约和。宛人尽将良马献出，并送来许多食物。汉兵择取良马数十匹，中等以下之马三千余匹，又立昧察为宛王，然后退师。

郁成王却是倔强，非但不肯服汉，反截杀汉校尉王申生。李广利便令搜粟都尉上官桀引兵攻入城中。郁成王乘乱逃出奔投康居。康居闻汉已破宛，便将郁成王斩首持报李广利。上官桀随后追及大军一同回国。

李广利人品极差，私吞士兵粮饷，动辄对下属棍棒伺候，很多人不是豪迈地战死，而是凄惨地饿死、冤死。及入玉门关，部众不满二万人，马不过千余匹。

不过李广利因是李夫人弟弟，汉武帝封他为海西侯。食邑八千户。上官桀等均有封赏，汉武帝对此说了句着名的话:“犯汉者，虽远必诛!”西域各国从此规规矩矩，再也不敢摸老虎屁股。

武帝因宛马雄壮，比乌孙马为良，乃改称乌孙马为西极马，独名宛马为天马。

宛马与它马不同之处在于汗血。汗血者，汗从前博小孔中流出如血。此种马能日行千里，为世所贵，后来便称之为汗血宝马。

总计李广利出征大宛，先后劳兵十余万，历时四年，结果只得了数十匹良马。后人有诗叹道：

十万兵残天马来，

玉门关外贰师回；

冤魂载道愁云结，

天子禽荒剧可哀。