于是贰师将军再次出征，兵力充足，所到的小国没有不迎接的，还拿出食物供应汉军。到了轮台，轮台不投降，汉军攻打了几天，进行了屠杀。从这里往西，汉军顺利到达大宛城，到达的兵力有三万人。大宛的军队迎击汉军，汉军射箭打败了他们，大宛的军队逃进城中坚守。李广利想先攻打郁成城，又怕停留在这里大宛会生出更多诡计，就先到了大宛城，切断了大宛的水源，大宛国内已经忧虑困乏。汉军包围了大宛城，攻打了四十多天。大宛的贵族们商量说：“国王毋寡藏着好马，杀了汉朝使者，现在杀了国王，献出好马，汉军应该会解围。如果不解围，再奋力作战而死也不晚。”大宛的贵族们都觉得有道理，就一起杀了国王。大宛的外城被攻破，俘虏了大宛的勇将煎靡。大宛非常恐惧，逃进内城，拿着毋寡的头，派人对李广利说：“汉军别攻打我们了，我们把好马都拿出来任你们挑选，还供应汉军食物。如果不答应，我们就把好马都杀了，康居的救兵也快到了，他们来了，我们在内，康居在外，一起和汉军作战。你们仔细考虑，该怎么办？”这时，康居看到汉军士气正盛，不敢前进。李广利听说大宛城中新来了汉人，会打井，而且城内粮食还很多，心想：“这次来是为了诛杀首恶毋寡，毋寡的头已经拿到了，如果不答应大宛的请求，他们会坚守，而康居等汉军疲惫时来救援，汉军必败。”于是答应了大宛的求和。大宛拿出好马，让汉军自己挑选，还拿出很多食物供应汉军。汉军挑选了几十匹好马，中等及以下的马有牝牡三千多匹，还立了大宛原来对汉朝友好的贵族昧蔡为大宛王，和大宛盟誓后撤兵。
当初，贰师将军从敦煌西边出发，分了几支军队，走南、北两条道路。校尉王申生带领一千多人，单独到了郁成，郁成王攻打并消灭了他们，只有几个人逃脱，跑到李广利那里。李广利派搜粟都尉上官桀去攻打郁成，郁成王逃到康居，上官桀追到康居。康居听说汉朝已经攻破大宛，就交出郁成王给上官桀，上官桀让四个骑士绑着郁成王送到李广利那里。上邽的骑士赵弟怕郁成王跑了，拔剑杀了他，追上了李广利。
太初四年（公元前101年），春天，贰师将军李广利回到京城。李广利经过的小国，听说大宛被攻破，都派他们的子弟跟着汉军入朝进贡，拜见汉武帝，还作为人质留在汉朝。军队回来时，带回了一千多匹马。这次出征，军队不缺粮食，战死的人也不多，但是将领和官吏贪婪，不爱惜士兵，侵吞他们的财物，因此死了很多人。汉武帝因为是万里远征，没有追究这些过错，下诏封李广利为海西侯，封赵弟为新畤侯，任命上官桀为少府，军官和官吏升为九卿的有三人，诸侯相、郡守、二千石的官员有一百多人，千石以下的官员有一千多人，主动出征的人得到的官职超过了他们的期望，因为有罪而被征调出征的，都没有记录他们的功劳，士兵们每人赏赐了四万钱。
匈奴听说贰师将军征讨大宛，想半路拦截，但看到贰师将军的兵力强盛，不敢抵挡，就派骑兵在楼兰等候汉朝使者，想断绝他们和汉朝的联系。当时汉军正任文带兵驻扎在玉门关，抓到俘虏，了解情况后报告给汉武帝。汉武帝下诏让任文顺路带兵逮捕了楼兰王，押到京城责问。楼兰王回答说：“我们小国夹在大国之间，不归属两边就无法自保，希望把国家迁到内地。”汉武帝觉得他说的有道理，让他回国，还让他侦察匈奴的情况，从此匈奴不太信任楼兰。
自从大宛被攻破后，西域各国都很震惊害怕，汉朝出使西域的使者更能履行职责了。从敦煌往西到盐泽，到处都建起了亭障，轮台、渠犁都有几百个屯田的士兵，还设置了使者和校尉来管理，供应出使外国的人。一年多后，大宛的贵族们认为昧蔡善于阿谀奉承，导致国家遭受屠杀，就一起杀了昧蔡，立了毋寡的弟弟蝉封为大宛王，还派他的儿子到汉朝做人质。汉朝派使者送了财物去安抚他们。蝉封和汉朝约定，每年进献两匹天马。
秋天，修建了明光宫。冬天，汉武帝到回中巡视。匈奴呴犁湖单于死了，匈奴人立他的弟弟左大都尉且鞮侯为单于。汉武帝想趁着讨伐大宛的威势继续削弱匈奴，就下诏说：“高皇帝给我留下了平城被围的忧患，高后时，单于的书信非常悖逆。从前齐襄公报复了九代的仇，《春秋》认为他做得对。”且鞮侯单于刚即位，怕汉朝袭击他，就说：“我是儿子辈，怎么敢和汉天子相比！汉天子是我的长辈。”于是把不投降的汉朝使者路充国等人都放了回来，还派使者来进献礼物。
天汉元年（公元前100年），春天正月，汉武帝到甘泉宫，在泰畤祭祀天神。三月，到河东祭祀后土神。汉武帝赞赏匈奴单于的好意，派中郎将苏武护送留在汉朝的匈奴使者回去，还送了很多财物给单于，回应他的善意。苏武和副中郎将