大宛，西域各國因為不知道漢軍目的，因而紛紛閉城不出，不為漢軍提供補給，結果多有小國被漢軍攻破。如今漢軍再度西征，兵力相較於上次更眾，不過由於已經知道漢軍目標在於大宛，西域各國反而不再懼怕，自然也就沒有必要再閉城自守，招致漢軍來攻，於是紛紛壼漿簞食以迎，唯獨輪臺國（今新疆輪臺縣東南）閉門拒絕。

李廣利得知訊息後，立即揮軍進攻，數日之後攻破輪臺城。為震懾西域各國，李廣利破城之後，直接下令屠城，輪臺國隨之被滅，西域各國得知訊息無不震驚，此後漢軍一路向西，再也無人敢擋。

李廣利率領主力三萬餘人翻越蔥嶺後，本想先行攻打鬱成國，但又擔心如果在鬱成國耽誤太久，會讓大宛國有所準備，思慮一番後還是決定先行攻打大宛。於是率軍繞過鬱成國，直取大宛首都貴山城。

李廣利雖然沒有理會鬱成國，但隨後翻越蔥嶺，校尉王申生和原大鴻臚壺充國等人統領的一千餘名漢軍，卻來到了鬱成國，由於身心俱疲，王申生便派人向守軍索要食物和飲水，結果遭到鬱成國拒絕。

王申生率領的漢軍，雖然距離李廣利統率的大部隊兩百餘里，但他依仗漢軍兵力強大，根本沒將鬱成國這個小國放在眼裡，眼見鬱成國竟然如此狂妄，竟然直接率軍對鬱成城發動了進攻。

鬱成人探知漢軍不過一千多人，於清晨組織起三千多人，出城對漢軍發動反擊，結果王申生、壺充國等將領被斬，所部幾乎全軍覆沒，只有少數幾人逃出生天，跑到李廣利處告急。

李廣利上次出征大宛，便在鬱成國處吃了敗仗，如今聽說該國竟然還敢襲擊漢軍，當即大怒，命令搜粟都尉上官桀率軍萬餘回軍攻打鬱成國。

上官桀是隴西上邽人，年輕時曾任羽林期門郎。一次，上官桀跟隨漢武帝前往甘泉宮，途中遭遇大風，車駕不能前進，漢武帝於是命人拆下車蓋讓上官桀捧著，車子這才得以繼續前進。上官桀身強力壯，雖然捧著厚重的車蓋頂風前進，卻始終緊緊跟隨在馬車後方，沒有被落下。不久，天又下起大雨，他便趕上前去用車蓋替漢武帝擋雨。

事後，漢武帝對於他的勇力十分欣賞，便將其提拔為了未央廄令，主要負責飼養帝后乘輿馬匹。

後來，漢武帝因為身體不舒服在宮中養病，病癒之後前去檢視馬匹，結果發現馬竟然都瘦弱不堪，便命人將上官桀召至面前，怒斥道，“你是認為我再也看不見這些馬了嗎？”當即便要治他的罪。

上官桀連忙叩頭請罪，說道，“我聽說皇上身體不適，便日夜替您擔心，哪裡還顧得上看馬啊！”話還沒有說完，眼淚就一串串地落了下來。漢武帝見其對自己如此忠心，不僅沒有再怪罪於他，此後反而對其日漸寵信，使其先後升任侍中、太僕。再度派李廣利出征大宛時，漢武帝又任命上官桀為搜粟都尉，命其隨軍出征。

上官桀率軍抵達鬱成城後，因為此前漢軍在此已經兩度戰敗，上官桀不敢有絲毫輕敵之心，妥善佈置後這才率軍猛攻，鬱成國畢竟是小國，如何能夠抵擋漢軍上萬大軍，結果僅僅堅守數日便被攻破城池，鬱成人隨之投降，鬱成王則率領親信一路向西逃至康居國。

上官桀得知訊息，率軍緊追不捨，一路追至康居國邊境。面對比鬱成國強大許多的康居，上官桀沒有敢貿然發動進攻，而是率軍駐守於康居邊境，派人向康居散播漢軍已經攻破大宛的訊息。

漢朝數萬大軍西進攻打大宛，康居王自然早已得知訊息，康居雖然也算中亞大國，但相較於大宛還是略遜一籌，如今聽說大宛國都已經被攻破，哪裡還敢得罪漢軍，康居王當即命人將鬱成王抓了起來交給了上官桀。

上官桀於是命令四個騎兵押送鬱成王給主將李廣利，這四人途中商議道，“這鬱成王極為痛恨我朝，如果活著將其押送過去，恐怕途中會發生意外，反而貽誤大事”，可是想要將其處死，卻又無人敢動手，上鄒騎士趙弟見其餘三人猶豫不決，直接拔劍上前，將鬱成王斬殺，然後四人攜其首級前往李廣利處報捷。

上官桀命人將鬱成王送走後，自己則率軍返回鬱成國，對該國百姓予以安撫一番後，留千餘守軍駐守鬱成，這才率領大軍與李廣利的主力會合。

李廣利率領主力抵達大宛都城貴山城後，大宛人本想趁漢軍立足未穩出城反擊，結果在漢軍一番弓弩齊射之下，丟下數百具屍體後，便退回了城內堅守，再也不敢貿然出城。

李廣利擊退大宛反擊後，卻並未急於攻城，而是率軍將貴山城團團包圍，然後命令隨軍的水利工匠，修改貴