漢武帝知曉后勃然大怒，下令讓李廣利率軍進擊大宛國。由于路途遙遠，李廣利第一次出擊大宛無功而返。太初三年，漢武帝深感出兵失利有損國威，決定派李廣利率領6萬多漢軍再次出征。同時，漢武帝還安排了18萬士兵駐扎在敦煌一帶做為后援部隊。漢軍所到的西域各國都被漢朝國力震懾，紛紛出城相迎。唯一閉門拒守的輪臺國，也被漢軍屠城滅國。漢軍抵達大宛都城貴山城后，大宛軍隊出城迎戰多次，但均被擊敗。李廣利又切斷城內水源，包圍猛攻40多天。突破外城后，漢軍俘虜大宛戰將煎靡，使得大宛上下人心惶惶。大宛貴族為求自保，殺死國王母子，獻馬求和。

漢宛之戰漢軍大獲全勝，彰顯了大漢朝國力、軍力的強大。