李广利得知消息后，立即挥军进攻，数日之后攻破轮台城。为震慑西域各国，李广利破城之后，直接下令屠城，轮台国随之被灭，西域各国得知消息无不震惊，此后汉军一路向西，再也无人敢挡。
李广利率领主力三万余人翻越葱岭后，本想先行攻打郁成国，但又担心如果在郁成国耽误太久，会让大宛国有所准备，思虑一番后还是决定先行攻打大宛。于是率军绕过郁成国，直取大宛首都贵山城。
李广利虽然没有理会郁成国，但随后翻越葱岭，校尉王申生和原大鸿胪壶充国等人统领的一千余名汉军，却来到了郁成国，由于身心俱疲，王申生便派人向守军索要食物和饮水，结果遭到郁成国拒绝。
王申生率领的汉军，虽然距离李广利统率的大部队两百余里，但他依仗汉军兵力强大，根本没将郁成国这个小国放在眼里，眼见郁成国竟然如此狂妄，竟然直接率军对郁成城发动了进攻。
郁成人探知汉军不过一千多人，于清晨组织起三千多人，出城对汉军发动反击，结果王申生、壶充国等将领被斩，所部几乎全军覆没，只有少数几人逃出生天，跑到李广利处告急。
李广利上次出征大宛，便在郁成国处吃了败仗，如今听说该国竟然还敢袭击汉军，当即大怒，命令搜粟都尉上官桀率军万余回军攻打郁成国。
上官桀是陇西上邽人，年轻时曾任羽林期门郎。一次，上官桀跟随汉武帝前往甘泉宫，途中遭遇大风，车驾不能前进，汉武帝于是命人拆下车盖让上官桀捧着，车子这才得以继续前进。上官桀身强力壮，虽然捧着厚重的车盖顶风前进，却始终紧紧跟随在马车后方，没有被落下。不久，天又下起大雨，他便赶上前去用车盖替汉武帝挡雨。
事后，汉武帝对于他的勇力十分欣赏，便将其提拔为了未央厩令，主要负责饲养帝后乘舆马匹。
后来，汉武帝因为身体不舒服在宫中养病，病愈之后前去查看马匹，结果发现马竟然都瘦弱不堪，便命人将上官桀召至面前，怒斥道，“你是认为我再也看不见这些马了吗？”当即便要治他的罪。
上官桀连忙叩头请罪，说道，“我听说皇上身体不适，便日夜替您担心，哪里还顾得上看马啊！”话还没有说完，眼泪就一串串地落了下来。汉武帝见其对自己如此忠心，不仅没有再怪罪于他，此后反而对其日渐宠信，使其先后升任侍中、太仆。再度派李广利出征大宛时，汉武帝又任命上官桀为搜粟都尉，命其随军出征。
上官桀率军抵达郁成城后，因为此前汉军在此已经两度战败，上官桀不敢有丝毫轻敌之心，妥善布置后这才率军猛攻，郁成国毕竟是小国，如何能够抵挡汉军上万大军，结果仅仅坚守数日便被攻破城池，郁成人随之投降，郁成王则率领亲信一路向西逃至康居国。
上官桀得知消息，率军紧追不舍，一路追至康居国边境。面对比郁成国强大许多的康居，上官桀没有敢贸然发动进攻，而是率军驻守于康居边境，派人向康居散播汉军已经攻破大宛的消息。
汉朝数万大军西进攻打大宛，康居王自然早已得知消息，康居虽然也算中亚大国，但相较于大宛还是略逊一筹，如今听说大宛国都已经被攻破，哪里还敢得罪汉军，康居王当即命人将郁成王抓了起来交给了上官桀。
上官桀于是命令四个骑兵押送郁成王给主将李广利，这四人途中商议道，“这郁成王极为痛恨我朝，如果活着将其押送过去，恐怕途中会发生意外，反而贻误大事”，可是想要将其处死，却又无人敢动手，上邹骑士赵弟见其余三人犹豫不决，直接拔剑上前，将郁成王斩杀，然后四人携其首级前往李广利处报捷。
上官桀命人将郁成王送走后，自己则率军返回郁成国，对该国百姓予以安抚一番后，留千余守军驻守郁成，这才率领大军与李广利的主力会合。
李广利率领主力抵达大宛都城贵山城后，大宛人本想趁汉军立足未稳出城反击，结果在汉军一番弓弩齐射之下，丢下数百具尸体后，便退回了城内坚守，再也不敢贸然出城。
李广利击退大宛反击后，却并未急于攻城，而是率军将贵山城团团包围，然后命令随军的水利工匠，修改贵山城外围河流流向，切断其城内水源，并赶制攻城器械，同时等待后续大军前来会和。
李广利围城四十余日，由于城内断水，城中军民早已斗志全无，而汉军则在汇集后续大军后，则已经做好了攻城的各项准备，李广利这才发动进攻。
贵山城虽然是大宛国都城，但与汉朝的那些巨城相比，可就完全不够看了，不仅城市规模无法相提并论，防御设施更是简陋非常。
相较之下，春秋战国以来，中原地区屡遭战乱，虽然战争导致民生凋敝、经济凋零，但正是由于长期战争积累的经验，军事理论和科技却得以迅速发展，对于汉军打造的各种攻城器械，大宛军队别说防御了，甚至连见都没有见过。
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