大军除在轮台遇到抵御外，很顺利地到达大宛。到达大宛的士卒有三万人。李广利率师绕过郁成城，直抵大宛都城、先断决城内水源，再围困攻打。攻打了四十余日。大宛的一些贵族暗中商议说：“国王毋寡将宝马收藏，不给汉朝，又杀害汉朝的使者，因此得罪汉朝，招致汉军的攻打。假如我们杀掉国王，献出宝马，汉军一定解围而去。不然城被攻破，我们的生命财产都将同日化为灰烬。”于是便联合起来，杀掉毋寡。正好此时外城被汉军攻破，俘虏了大宛最骁勇的战将煎靡。城中的贵族更为惊恐，赶快将母寡的头割下，用木盒装着，献给汉军统帅李广利，并说：“我们将所有的宝马都牵来，任随你们挑选，并且供给你们军队的酒食，只要求你们不再攻打我们的内城。”李广利考虑到内城坚固，粮食蓄存又很丰富，利于长期坚守，而汉军又劳师远征，战斗四十余日，已经疲乏，同时大宛邻国康居，正对汉军虎视眈眈，有乘机袭击之势。既然首恶毋寡已经伏诛，又愿献出宝马，出师的目的已经达到，不如就此收军。李广利将自己的意见告诉众将，众将也都同意。李广利答应了大宛方面提出的要求，停止攻打内城。大宛的贵族们十分高兴，便将所有的宝马牵出来，让汉军自行选择，又送给汉军许多牛羊及葡萄酒，慰劳汉军。汉军挑选了最好的宝马数十匹，中等以下的雌雄三千余匹，并立大宛贵族中过去与汉朝最亲善友好的昧蔡为大宛国王。两国订盟，相约结为友好国家。
李广利凯旋班师，回到京城长安，向武帝献上宝马。武帝特别高兴，大宴群臣，祝贺胜利，封李广利为海西侯，以表彰其功勋。大宛在西域各国中，有精兵六万，算是一个比较强大的国家，又远在葱岭之外，而汉朝居然能出师征讨，而且破其都城，杀掉国王，因此使西域各国更慑于汉朝的威力，更加归附汉朝，这样就加深了汉朝与西域各国的关系。来往更为密切，相互间更为亲善和睦，为后来汉朝在西域设都护府，管辖西域事务，奠定了强周的基础，从此西域便成为中国不可分割的一部分，这就是这次李广利远征大宛的功劳，我们应当充分地肯定。班固在《汉书》中将张骞与李广利并入一个列传中，是有史学家的卓识的。这是就伐大宛的客观效果而言。
但是就汉武帝的主观而言，是在夺取宝马。为了几匹汗血马，兴师动众，劳师远征，是完全不必要的，根本不值得的。汉代学术大师刘向说：“贰师将军捐五万之师，靡亿万之费，经四年之劳，而仅获骏马三十匹，虽斩宛王毋鼓(寡)之首，犹不足以复费，……”认为损失太大，得不偿失。武帝为代大宛，几乎倾全国之力，卫青、霍去病远征匈奴也未如此，而李广利终未攻破宛都内城，说明李广利缺乏智谋，指挥才能平庸。更有甚者，虐待士卒，贪占军用资财，侵吞士卒粮饱，使许多士卒不是英勇战死，豪迈地醉卧沙场，而是因将吏贪暴致死者甚众。
从敦煌出军时，士卒六万人(不包括私自随军出征的)、战马三万匹，人玉门关时，士卒仅万余人，战马仅干匹，使许多优秀的汉家儿郎枉死沟壑，暴骨异域。刘向说李广利在伐宛过程中“其私罪恶甚多。孝武以为万里征伐，不录其过”。于此可见李广利品质的卑下低劣。
丧师变节
