这一次汉军声势浩大，沿途的那些西域小国都不敢再抗拒了，于是纷纷出城相迎。只有轮台依旧闭城紧守，但却是鸡蛋碰石头，最后被屠。李广利率领3万主力军，先抵达了大宛边境。这一次郁成城守将又故技重施，想再拖垮汉军。但李广利吃了一次亏，这一次改变了主意，绕过郁成城直奔大宛都城贵山城而去。
汉军连攻40天，最终攻破贵山的外城，并且杀了大宛的一名大将煎靡。这时大宛统治集团内部慌了，此事因大宛王毋寡而起，于是大宛贵人杀了毋寡提着他的首级与汉军讲和。这一次大宛不仅宝马任汉军挑选，同时还给汉军提供了大量粮食。
第二次远征大宛虽然汉军始终未能进入贵山城，但是还算成功，后来汉军立亲汉的昧蔡为大宛王，与他盟誓后带着宝马数十匹，中等以下马3千余匹开始了东撤。从此大宛臣服于汉朝，成了大汉在西域的一个藩属国。
