山城外圍河流流向，切斷其城內水源，並趕製攻城器械，同時等待後續大軍前來會和。

李廣利圍城四十餘日，由於城內斷水，城中軍民早已鬥志全無，而漢軍則在彙集後續大軍後，則已經做好了攻城的各項準備，李廣利這才發動進攻。

貴山城雖然是大宛國都城，但與漢朝的那些巨城相比，可就完全不夠看了，不僅城市規模無法相提並論，防禦設施更是簡陋非常。

相較之下，春秋戰國以來，中原地區屢遭戰亂，雖然戰爭導致民生凋敝、經濟凋零，但正是由於長期戰爭積累的經驗，軍事理論和科技卻得以迅速發展，對於漢軍打造的各種攻城器械，大宛軍隊別說防禦了，甚至連見都沒有見過。

漢軍猛攻數日，便摧毀了貴山城的外城，大宛貴族將領煎靡被俘，大宛軍民於是紛紛逃入內城堅守。面對漢軍的迅猛攻勢，任誰都看的出來，大宛國根本毫無取勝希望，繼續堅守下去，也不過是途耗傷亡，延緩城破的時間罷了。

在這種悲觀情緒下，不少大宛貴族的立場開始動搖，他們怨恨大宛國王毋寡殺死漢朝使者，引來漢朝大軍進攻，認為與其跟著毋寡送死，不如殺死毋寡與漢軍談判，從而換取一條生路。

這些貴族們商議一番後，立即發動政變，殺死了毋寡，派人將毋寡的首級送往漢營請降，並表示，“如果漢軍停止進攻，大宛願意獻出良馬供漢軍挑選，並向漢軍提供糧食；如果漢軍不停戰，大宛便殺盡良馬，待到康居援軍到達，將從內到外共同抵抗漢軍。”

李廣利召集眾將商議，大家皆認為漢朝攻打大宛的目的在於奪馬，既然大宛已經同意獻出寶馬，且殺死了反抗漢朝的國王毋寡，漢軍自然就沒有必要繼續攻城徒增傷亡，更何況眾人已經從俘虜口中得知，城中最近找到了會穿井汲水的漢人，已經解決了用水問題，而且城中存糧還多，漢軍想要攻破城池並不容易，而如果康居真的出兵與大宛人裡外夾攻，且不說能否破城，漢軍甚至還將陷入腹背受敵的不利境地。更為重要的是，若是逼得大宛軍民魚死網破，真的盡數殺死了良馬，即便攻破城池也是竹籃打水一場空，倒不如透過談判換取更大的好處。

於是，李廣利也派出使者，與大宛貴族經過多次商議後，最終約定：漢軍不進入貴山城，大宛國主動獻出良馬供漢軍挑選，大宛國擁立親漢的貴族為新任國王，大宛成為漢朝臣屬。

經過一番精挑細選，李廣利派人從大宛國獻出的良馬中，挑選出寶馬數十匹，中等以下公母馬三千餘匹，大宛貴族則擁立了親漢的昧蔡為大宛新國王，並與漢朝締結了臣屬聯盟。做完這一切之後，李廣利這才率領大軍勝利班師。

當初，漢朝大軍翻越蔥嶺直抵大宛國都時，大宛國王毋寡便派人向康居求援，康居王隨之派出援軍前往大宛，然而因為漢軍勢大，援軍又遲遲無法與大宛國取得聯絡，再加上上官桀派人向康居散播大宛已被攻破的訊息，導致康居援軍始終徘徊於貴山城數百里外不敢進兵。如今見大宛果然被攻破，康居王連忙下令援軍撤回，並派人與漢朝修好。

李廣利率領大軍凱旋東歸，西域那些小國聽說大宛國被漢軍攻破，對於漢朝更為敬畏，等到漢軍經過時，不僅為漢軍提供糧草補給，甚至紛紛打發自己子弟跟隨漢軍前往長安納獻貢物，謁見天子、作為人質。

途經烏孫時，李廣利派人以“首鼠兩端”之罪責問烏孫王。當時，西域各國之中，與漢朝關係最近者，當屬與漢朝聯姻結盟的烏孫國，雖說細君公主出嫁烏孫後僅兩年，烏孫王獵驕靡便去世了，不過獵驕靡在去世之前，卻按照“收繼婚”的習俗，安排太孫軍須靡在即位後迎娶了細君公主。

由於有悖倫理，細君公主最初還不同意，並將此事上奏漢武帝，漢武帝則回信表示希望細君公主能夠顧全大局，遵從烏孫國的風俗。於是，在獵驕靡去世後，細君公主便又嫁給了新任烏孫王軍須靡，延續了漢朝和烏孫的聯姻結盟。

正因如此，李廣利二次西征時，曾派人通告烏孫國，要求其出兵與漢軍合力攻打大宛。然而，烏孫王軍須靡因為知道漢朝此前攻打大宛戰敗，因此雖然派遣了兩千騎兵前往，但其軍隊卻始終在大宛國外徘徊觀望，而並不配合參戰。

面對李廣利的責問，自知理虧的軍須靡無力辯駁，只得一面向李廣利請罪，一面派遣使者隨李廣利前往長安謝罪。

漢朝這次西征，由於事先準備充分，糧草補給充足，因戰死傷者並不算太多，但由於將吏們貪財，大都不愛護士兵，侵吞軍餉現象十分嚴重，導致大量士兵非戰鬥死亡，