[6]汉朝丧失了赵破奴这支部队后，议论此事的公卿大臣们都希望停止征讨大宛，集中全力对付匈奴。而汉武帝则认为，既已出兵征讨大宛，如果连大宛这样一个小国都不能征服，那么大夏等国将逐渐轻视汉朝，大宛的好马不会来，乌孙、轮台等国将随意虐待汉朝使团，从而使汉朝遭到外国的耻笑。于是汉武帝处罚了认为征讨大宛不利的邓光等人。赦免正在服刑的囚徒，征发品行恶劣的青年和边塞地区的骑兵，一年多的时间里，派到敦煌增援贰师将军李广利的人达六万多人，背负私人装备而跟从的人未计算在内。另外，又征调了牛十万头，马三万匹，驴、骆驼等数以万计，以及十分充足的粮食和兵器弓弩。全国都受到震动，从各地调到征讨大宛部队中的校尉军官也达五十余名。因大宛城中无井，靠汲引城外河水使用，所以汉武帝派水工随军前往，准备将大宛城外河水引向别处，利用旧水道挖洞攻城。又增调了十八万戍卒进驻酒泉、张掖以北地区，并在居延、休屠两地屯兵以卫护酒泉。汉武帝下令：全国犯罪的官吏、逃亡者、入赘妇家的男子、商人、原属商人户籍者、其父母或祖父母属商人户籍者，共七种人，一律谪罚为兵。为贰师运送粮食的车辆和役夫络绎不绝。汉武帝还任命两名熟悉马匹情况的人充当执马校尉和驱马校尉，预备在攻破大宛后挑选好马。
于是贰师后復行，兵多，所至小国莫不迎，出食给军。至轮台，轮台不下，攻数日，屠之。自此而西，平行至宛城，兵到者三万。宛兵迎击汉兵，汉兵射败之，宛兵走入，保其城。贰师欲攻郁成城，恐留行而令宛益生诈，乃先至宛，决其水原移之，则宛固已忧困，围其城，攻之四十余日。宛贵人谋曰：“王母寡匿善马，杀汉使，今杀王而出善马，汉兵宜解；即不解，乃力战而死，未晚也。”宛贵人皆以为然，共杀王。其外城坏，虏宛贵人勇将煎靡。宛大恐，走入城中，持王母寡头，遣人使贰师约曰：“汉无攻我，我尽出善马恣所取，而给汉军食。即不听，我尽杀善马，康居之救又且至，至，我居内，康居居外，与汉军战。孰计之，何从？”是时，康居候视汉兵尚盛，不敢进。贰师闻宛城中新得汉人，知穿井，而其内食尚多，计以为“来诛首恶者母寡，母寡头已至，如此不许则坚守，而康居候汉兵罢来救宛，破汉兵必矣；”乃许宛之约。宛乃出其马，令汉自择之，而多出食食汉军。汉军取其善马数十匹，中马以下牝牡三千余匹，而立宛贵人之故时遇汉善者名昧蔡为宛王，与盟而罢兵。
贰师将军李广利得到巨大的人力物力增援后，再次率兵出征。由于汉军兵多，所到之处，西域各小国无不迎接，为汉军提供粮食供应。行至轮台，轮台国不降，汉军攻城数日，在城中进行了一场大屠杀。自此向西，汉军一路平安推进，直抵大宛城下，到达的士兵共三万人。大宛军队出城迎击汉军，汉军以箭射杀，大宛军大败，逃入城中拒守。李广利本想攻取郁成城，又恐怕一时难于攻克，反使大宛生出其他计谋，于是先到大宛城，挖开水源，引向别处。城中的大宛军民本已忧愁困扰，汉军再将全城包围，攻击四十余日。大宛贵族密谋道：“大王母寡将好马隐藏起来，又杀死汉朝使臣，如今我们将大王杀死，把好马献出，汉军就会解围而去；如仍不解围退兵，我们再拼死力战，也为时未晚。”大家都表示同意，于是一起行动，将大宛王杀死。此时大宛的外城已破，大宛的贵族猛将煎靡被汉军俘获。大宛极为恐慌，逃入内城，派人手持大宛王母寡的人头，前去见李广利，相约说：“汉军如不进攻我们，我们将把所有的好马都拿出来，任凭汉军随意挑选，并为汉军提供粮食。如不接受我们的建议，我们将杀死所有的好马。康居的援兵又即将到达，援兵一到，我们居内，康居兵居外，两面夹击汉军。请将军仔细考虑，怎么办好？”此时，康居探知汉军还很强盛，不敢前进。李广利闻知大宛城中新近抓到一些汉人，懂得了凿井技术，且城中粮食尚多，因而考虑：“此次前来主要是为了诛杀罪魁祸首母寡，而今母寡的人头已然送到，这样再不接受他们的请求，他们必定会坚守城池，而康居等到汉军疲惫来援救大宛，汉兵必为其所败。”所以接受了大宛的求和条件。于是，大宛将马献出，让汉军自己选择，并拿出大批粮食供给汉军。汉军挑选了数十匹好马，中等及以下的雌、雄马三千余匹，又扶立过去对汉朝态度友好的大宛贵族昧蔡登上大宛国王位，与其订立盟约后罢兵而还。
初，贰师起敦煌西，分为数军，从南、北道。校尉王申生将千余人别至郁成，郁成王击灭之，数人脱亡，走贰师。贰师令搜粟都尉上官桀往攻郁成，郁成王亡走康居，桀追至康居。康居闻汉已破宛，出郁成王与桀，桀令四骑士缚守诣贰师。上骑士赵弟恐失郁成王，拔剑击斩其首，追及贰师。
当初，李广利自敦煌起兵西进时，分兵数路，分别从南、北两条道路进兵。校尉王申生另率一千余人到郁成，被郁成王消灭。只有数人得脱，逃到李广利大军。李广利命搜粟都尉上官桀率兵前往攻打郁成，郁成王逃到康居，上官桀也追到康居。康居王听说汉军已打败大宛，便将郁成王