得到了大臣的一致支持，汉武帝大为振奋，命桑弘羊负责军需，调10万匹军马、10万头牛和骆驼，运输物资，调50万只羊作为随军的肉食，同时继续征集各地刑徒、无赖、恶少组成20万人的大军队，所有物资、军队仍交给李广利率领，命他继续进攻大宛，戴罪立功。汉武帝听说大宛人饮水都是接自城外，还特意派了几名水利专家随军前往。

　　李广利第二次领命出征，底气十足。20万大军，数万运送辎重的民夫，如同一股势不可挡的洪流，浩浩荡荡向大宛进发。吸取了上次的教训，李广利没走上一次从楼兰经过的老路，而是从盐泽以北绕路，先抵达轮台国，要拿这个不知深浅的小国开刀。

　　李广利的大军突然出现在轮台城下，轮台王根本没来得及做任何防御准备。汉军前锋涌进城内，屠掠了全城。不到两天，轮台数万人口被屠戳净尽。城内能够被带走的粮食细软全被汉军带走，其余房屋财产被付之一炬。轮台国就这样从历史上消失了。

　　轮台被汉军夷平的消息在西域不胫而走，沿途各个国家无不恐惧。原来已经仿效轮台接纳匈奴使节的国家立即驱逐了匈奴人，派迎宾队伍远远迎接汉军，主动供给汉军需要的粮草和饮水。

　　这样，汉军顺利到达郁成城下，发现这里已经是一座空城。原来，郁成王听说汉朝大军杀来，慌忙率领部族迁往大宛了。汉军放火把郁成烧了个精光，然后立即向大宛国贵山城杀去。

　　汉军把贵山城围了个水泻不通，每天从早到晚从四面不断攻城。在惨烈的攻防战中，汉军的尸体填满了壕沟，大宛人更是筋疲力尽，男女老少全上了城头。有了轮台国的先例，他们知道，如果贵山城被攻陷，等待自己的将是死亡。

　　就在双方僵持不下的时候，汉军的水利专家找出了大宛城的水道。大宛城内没有水井，吃水全靠用沟渠从河流中引进来。虽然大宛人在开战前做了巧妙的隐蔽，但瞒不过研究水利多年的汉朝人。汉军连夜切断水道，又挖掘了一条新的河道，堆砌起沙坝，迫使原来的河流改道，远离大宛城。

　　大宛的王公贵族们首先坚持不住，他们秘密派人联络李广利，表示愿意献出天马。李广利则明确要求：天马不仅要献出来，大宛国王和郁成国王也必须被处死。第二天，这两人就被叛变的大臣们绑缚到了汉营。汉军在大宛城下将两位国王斩首，向大宛索取了粮食，立亲近汉朝的昧蔡为大宛新国王，然后带上挑选出来的几千大宛马，踏上返乡的路途。

　　经此一战，汉朝的威望达到了新的至高点。有轮台、郁成、大宛的先例，西域诸国几十年中不敢妄动。后来班超出使西域，仅带几个人、几匹马就能降伏一个国家，甚至汉朝的使节可以随时废立其国君，调发几国军队攻打敌对国，没有一个国家敢不遵从。