汉武帝闻报怒不可遏，他没有估计到事情竟会是这种结局。如果不及时遏制这股反汉的情绪，前此所做的一切有关联合西域对抗匈奴的努力统统要付诸东流，神骏高大的天马也休想得到手。曾出使大宛的姚定汉献策说：大宛兵力微弱，只需三千汉军，以强弩硬弓临敌，大宛必破无疑。武帝深以为然，他记得赵破奴就只用了七百骑破掉了楼兰，活捉了楼兰王。
太初元年(前104),五十三岁的汉武帝精力依然十分充沛，行幸泰山，祀高里，祠后土，临渤海，祠蓬莱，建宫殿，改正朔，攻匈奴，有条不紊地忙着。到了秋八月，汉武帝征发属国六千骑及郡国恶少年数万人组成西征军，由将军李广利率领西伐大宛。
李广利是大音乐家李延年的兄弟，是汉武帝宠妃李夫人的哥哥。汉武帝寄希望于他，尽快打到贰师城，将“天马”带回长安，封李广利为贰师将军。
李广利率领着几万虎狼之师出关，西渡盐水，当道小国听说汉军到来，都坚守城池，不肯供给粮草。汉军万里出征，辎重跟不上，饥病交加，非战斗减员十分严重。攻克了城池，就饱餐一顿，攻不下来就只好饿着肚子绕道前进。辗转到达郁成城(吉尔吉斯斯坦安集延之东),数万兵卒只剩下数千。
郁成王曾奉大宛王之命杀了汉使车令，此时又与汉军展开了激烈的攻防战，汉军伤亡惨重。一个小小的郁成尚且打不下，只能攻克大宛的王都呢?李广利见机得快，只能领着残兵败将东撤，一来一往，费了两年工夫，好歹挣扎着回到了敦煌。