漢朝認識大宛，是從張騫出使西域開始，張騫告訴漢武帝：大宛有一種寶馬，叫汗血馬。又，傳說這種馬日行千里，奔跑時流的不是汗，而是血。漢武帝當時就對此十分感興趣。隨著漢朝與西域各國的不斷往來，漢使說：「張騫說的汗血寶馬是真，但大宛不願把汗血馬獻給大漢，馬就藏在貳師城。」漢武帝聽說大宛有汗血馬是真的，也不管大宛願不願給，就高興得不得了。因為他非常喜歡好馬，《史記·樂書》說：漢朝在西邊屯田和防守的士兵，曾在水邊發現一匹從西域跑過來的好馬，就將它捉住，獻給了朝廷，漢武帝高興地作了一首《太一之歌》。(太一貢兮天馬下，霑赤汗兮沫流赭。騁容與兮跇萬里，今安匹兮龍為友)《樂書》雖不出自司馬遷之手，但漢武帝喜歡寶馬確是事實。於是，他就派壯士車令為使者，攜帶千金和金馬等禮物，請求與大宛交換汗血馬。
大宛已有了很多大漢的財物，對黃金和金馬不感興趣，國王與大臣們商議說：「大漢離我們有萬里之遙，他們使團來時要經過鹽澤，鹽澤是絕地，在那死的人特別多。若不走鹽澤，他們從北邊來，有匈奴阻攔。從南邊來，他們難覓水草，人煙稀少，飲食匱乏。所以，大漢使團每次出發時是幾百人，路上常常死的人都超過了一半。像這樣艱難的路程，他們怎能派大軍前來？不能派大軍，他們就對我們無可奈何。況且，貳師城的汗血馬，是大宛的國寶，國寶不能隨便給人。」於是，就拒絕了大漢的請求。車令等人氣得發瘋，罵了許多狠話，把金馬砸壞，揚長而去。大宛的貴族們也憤怒了，說：「大漢的使者太小看我們了！讓他們走，我們在路上收拾他們！」於是，大宛命東邊的郁成國，在歸途上劫殺了漢使，掠走了全部財物。漢朝使團只有幾個人生還，訴說了他們在大宛遭受的屈辱，漢武帝大怒，決定對大宛開戰。
首次征大宛失利
漢武帝任命李廣利為貳師將軍，遠征大宛，並到貳師城取汗血馬。李廣利是漢武帝寵姬李夫人的哥哥，漢武帝任命他為貳師將軍，主要是想加強對李家的寵幸，讓他立功封侯。因為曾出使過大宛的姚定漢等人說：「大宛兵力不強，若有不超過三千的精兵，加上強弓勁弩，就可將其一舉擊敗。」而前些時候，漢武帝派浞野侯趙破奴去攻打樓蘭，他只率領七百騎兵，很快就俘虜了樓蘭王。接著，漢武帝還任命趙始成為軍正，原來的浩侯王恢為嚮導，李哆為校尉，讓他們僅率領屬國精銳騎兵六千，以及各郡國有前科的不良青年幾萬人，同李廣利一起出征。該年是太初元年，這年關東出現嚴重的蝗災，蝗蟲一直飛到了西邊的敦煌。(諸嘗使宛姚定漢等言宛兵弱，誠以漢兵不過三千人，強弩射之，即盡虜破宛矣。天子已嘗使浞野侯攻樓蘭，以七百騎先至，虜其王，以定漢等言為然，而欲侯寵姬李氏，拜李廣利為貳師將軍，發屬國六千騎，及郡國惡少年數萬人，以往伐宛。期至貳師城取善馬，故號「貳師將軍」。趙始成為軍正，故浩侯王恢使導軍，為校尉，制軍事。是歲太初元年也。而關東蝗大起，飛西至敦煌。)
李廣利帶兵越過鹽澤，但途經的小國都很害怕，既怕漢軍攻打，又怕結交漢軍得罪匈奴。他們都各自堅守城堡，不肯供給漢軍飲食。李廣利氣得就去攻打他們，攻下來的，能得些補給，攻不下來的，也不敢戀戰。李廣利來到了殺害車令使團的郁成國，郁成是大宛的盟邦，不放漢軍過去。這時，漢軍跟上來的士兵不過幾千人，且都人困馬乏。李廣利也不休整部隊，立即下令攻城，結果一敗塗地。李廣利與李哆、趙始成等商量，說：「我們連郁成這樣的小國都攻不下來，何況大宛了呢？肯定打不過他們。」於是，只好帶領殘兵，在一片嘲諷聲中，狼狽地退回來了，往來花了兩年時間。
當漢軍退到敦煌時，所剩的殘兵不過十之一、二，李廣利派人向漢武帝報告說：「由於路途遙遠，經常缺少飲食，士卒不怕打仗，就怕挨餓。現在，存活下來的士兵太少，無法打仗。希望暫時收兵，將來再多派軍隊，前去征討。」漢武帝聽了大怒，立刻派使者把他們攔在了玉門關外，嚴令說：「軍中哪個膽敢退後玉門關一步，格殺勿論。」李廣利害怕，只好留在敦煌休整。李頎在《古從軍行》對此諷刺說：「聞道玉門猶被遮，應將性命逐輕車。」即，聽說玉門關已被皇帝下令阻斷，誰敢向關內退卻就砍誰的頭;士兵只好豁出性命，等著追隨戰車再返身去同敵人拚命。
再征大宛獲勝
在李廣利失利當年，浞野侯趙破奴在對匈奴的作戰中也遭慘敗，損失二萬多精兵，自己被俘投降。漢朝多數公卿大夫認為：當前的大敵是匈奴，應專征匈奴，在大宛的軍事行動應立即停止，屈辱只能先忍著。漢武帝認為，漢朝與大宛的戰端已開，大宛是個小國，我們如果連小國都攻不下來，那麼，像大夏等大一點的西域國家就會輕視漢朝，而汗血馬也別想再弄來了，烏孫和輪台(侖頭)等國也會隨時給漢朝使者製造麻煩，被外國恥笑。雙方爭論很激烈，漢武帝一怒，將反對較強烈的鄧光等人都下獄治了罪。
於是，漢武帝就大量赦免囚徒中的勇士，組織平時愛打仗鬥毆的青年和邊地騎兵，在一年出頭，就拼湊了六萬人，交給李廣利。同時，還有很多自帶衣食隨軍參戰的民兵。這些人總共攜帶了十萬頭牛，三萬餘匹馬，無數的驢、駱駝等牲畜，還帶了大量的糧食，以及各種兵器，弄得全國騷動，相傳被徵調的校尉就有五十餘人。由於大宛城中沒有水井，生活用水都來自流經城內的河流，漢朝就帶了許多會給河流改道的水工，準備給大宛的河流改道，讓城內斷水，逼迫他們投降。漢武帝又增派十八萬甲兵，戍守在酒泉、張掖以北，並設置了居延、休屠兩個縣，用來護衛酒泉。還調發了全國七種罪人，讓他們給大軍運送糧食。漢朝光是轉運軍用物資的人就多得難於數計，在路上絡繹不絕，直到敦煌。又招募了兩位善於相馬的伯樂，任命他們為執驅校尉，以便在佔領大宛後，到貳師城去挑選汗血馬。
太初三年，李廣利率重組的漢軍，從敦煌西出征。這回西域的一些小國，見漢軍如此陣容，幾乎個個膽寒，趕忙沿途供應飲食，也有冒死抵抗的。李廣利到達輪台國，輪台國不肯順服。他便下令攻城，不幾天，輪台被攻陷，漢軍進行了血腥的屠城。屠城震驚了西域，漢軍所到之處，再無人敢與爭鋒，很快抵達大宛。
漢軍有三萬精兵，大宛迎戰，被漢軍用箭射得大敗。大宛軍隊退入城中，想依靠城牆，打持久戰。李廣利怕大宛耍詭計，且持久戰對漢軍不利，就下令讓水工改變水道。對此，大宛沒有想到，一下子陷入困境。漢軍猛烈攻城，四十多天後，外城被攻破，俘虜了大宛貴族的勇將煎靡。大宛人紛紛從外城退入中城，精神也幾近崩潰。
大宛的貴族們商議，說：「大漢之所以來攻打我們，是因為我們的國王毋寡不答應與他們交換汗血馬，還劫掠了他們的使團。如今，我們只要殺死毋寡，獻出汗血馬，漢軍就會罷兵解圍，若不罷兵解圍，再同他們拚命不遲。」貴族們都認為這話有道理，便刺殺了毋寡，帶著他的人頭來談判，說：「您們不要再進攻了。我們願把良馬全部獻出，任您們挑選，並供應您們的飲食。如果您們不接受講和的請求，我們就把良馬全都殺死，而且我們盟友康居的援兵也很快就到了。如果康居的援兵趕到，大宛的軍隊在城裡，康居的軍隊在城外，兩國共同夾擊。您們何去何從？希望認真考慮。」
這時，康居的偵察兵確實在注視漢軍，因為漢軍人多勢眾，他們不敢冒進。李廣利和趙始成、李哆等商議，說：「聽說大宛城裡最近請了一些來自漢朝關中一帶的秦人，這些人精通打井的技術，而且大宛城中的糧食還挺充足。我們來這的目的，就是要誅殺大宛國的罪魁禍首毋寡。毋寡的人頭已到手，如果不答應他們罷兵的請求，那麼，他們就會固守，萬一康居的援軍乘我們疲憊時，前來救助，我們可能會再次遭遇失敗。」軍官們都認為貳師將軍說得對，便答應了大宛的請求。於是，大宛就獻出貳師城的良馬;拿出糧食給漢軍補給。漢軍挑選了他們上好的良馬幾十匹，中等以下的公馬與母馬三千餘匹，又立了親漢的貴族昧蔡為大宛的新國王，並同他訂立了盟約，雙方罷兵。漢軍始終沒有踏進大宛的城內。
當初，李廣利從敦煌出發時，因為考慮到人多，經過的小國無力供給糧食，就把大軍分成了好幾個支隊，從南北兩路進軍。校尉王申生和原鴻臚壺充國等率領一千餘人，從其他路線到達郁成國，郁成國見漢軍到來，又堅守城池。王申生等離大軍有二百里遠，但認為有大軍為後盾，郁成小國根本不算什麼，就向郁成索要飲食。郁成國不僅不給，還窺探到了漢軍的虛實，即漢軍的人數日漸減少。於是，在一個清晨，他們用三千士兵，向漢軍發起突然襲擊。王申生等人戰死，這支漢軍幾乎全軍覆沒，只逃脫了幾個人。此時，大宛問題已經解決，貳師將軍就命令搜粟都尉上官桀前去征討。郁成國戰敗，國王逃到康居，上官桀追到康居。康居聽說漢軍已攻下大宛，不敢收留郁成王，就把他獻給了上官桀，上官桀命四個騎兵把他捆了起來，準備押送到貳師將軍的大營。四個騎兵商議說：「郁成王是漢朝最恨的人，如果是活著送去，路上讓他逃了，這可不是我們能擔當得起的責任。不如殺了他，只帶人頭走。」然而，四個人都不願先動手。最後，年齡最小的趙弟，上邽人，拔劍一擊，砍下了郁成王的頭顱。
李廣利出征時，大軍陣容空前強大，整個戰鬥死傷的士兵也很少，但回到玉門關，只剩一萬餘人，一千餘匹馬，非戰鬥減員空前。這次帶的軍需物資最多，一路各國的供給豐盈，可是，由於各層軍官的腐敗，不愛護士卒，把大量的軍需品都倒賣了，致使十數萬人餓死。此次戰功最多的是趙始成，敢於深入的是上官桀，李哆出了不少計謀。(貳師之伐宛也，而軍正趙始成力戰，功最多;及上官桀敢深入，李哆為謀計，軍入玉門者萬餘人，軍馬千餘匹。貳師後行，軍非乏食，戰死不能多，而將吏貪，多不愛士卒，侵牟之，以此物故眾。)濫賞不罰。
李廣利征大宛，前後花了四年時間。漢武帝認為：萬里長征，只錄功，不計過。於是，李廣利被封為海西侯(班固說食邑8000戶)，趙弟被封為新畤侯，趙始成為光祿大夫，上官桀為少府，李哆為上黨太守。全軍被升為九卿的有三人，升為諸侯國國相、郡守等二千石的官員有一百多人，升為千石及千石以下的官員有一千多人。自願從軍者所得到的封賞都超過了他們的期望，因被判刑而從軍的人也都將功抵罪。這次對士卒的賞賜，總價值達四萬斤黃金。(天子為萬里而伐宛，不錄過，封廣利為海西侯。又封身斬郁成王者騎士趙弟為新畤侯。軍正趙始成為光祿大夫，上官桀為少府，李哆為上黨太守。軍官吏為九卿者三人，諸侯相、郡守、二千石者百餘人，千石以下千餘人。奮行者官過其望，以適過行者皆絀其勞。士卒賜直四萬金。伐宛再反，凡四歲而得罷焉。)
漢武帝厚賞李廣利，可能與對李夫人的憐愛有關。因為李廣利回來時，李夫人已病逝，而李延年和李季，因為淫亂宮闈被滅門，一切都物是人非了。《漢書·外戚傳》補充說：李夫人在生病後，久治不愈，身體羸弱，日漸憔悴，漢武帝前來看她，她用錦被蒙住了頭，說：「我委頓在床，容顏毀損，實在不敢與陛下相見。萬一我不行了，希望把我的兒子和兄弟托付給陛下照管。」漢武帝說：「夫人病得這麼嚴重，恐怕都起不來了，為什麼不同我見一面，當面向我托付兒子和兄弟，這樣不是更好？」李夫人說：「作為婦人，容貌不修，裝飾不整，是不能見君父的。何況我現在蓬頭垢面，一身休閒裝束，實在不敢與陛下相見。萬望海涵。」漢武帝又說：「夫人只要和我見一面，就夠了。我將賜你千金，並給你兄弟提拔為受人尊敬的高官。」李夫人說：「給不給他們提拔為受人尊敬的高官在皇帝自己酌量，不在與不與我見一面上。」
漢武帝堅持想要與她見一面，但李夫人始終不肯露臉，還把頭轉向另一面，不住地歎息，再也不回答漢武帝的見面請求了。漢武帝心裡不是很高興，無奈地走了。漢武帝離開後，李夫人的姐妹們都埋怨她，說：「尊貴的皇妃，為何不同皇帝見上一面，再托付咱們的兄弟？您為什麼這麼恨怨皇帝呢？連一面都不肯見？」李夫人卻解釋說：「之所以不想見皇帝，就是為了加深一層對兄弟的托付關係。我兒子也是皇帝的兒子，不用多操心，托付我們的兄弟就要想點辦法。我是相貌超群，才從卑賤的倡女得到寵幸的。凡是用色相取悅於人的女性，色衰就會失寵，失寵往日的恩愛就會斷絕。現在皇帝之所以對我還有依依不捨的眷戀，就是懷念我平時的色相。如果他見到我現在容顏已經損毀，遠不如過去漂亮了，必然會感到很噁心，並且遠離我。如果這樣，他還能念及我過去的漂亮，憐憫和照顧我的兄弟嗎！」李夫人去世，漢武帝以皇后的禮儀安葬了她。(初，李夫人病篤，上自臨候之，夫人蒙被謝曰：「妾久寢病，形貌毀壞，不可以見帝。願以王及兄弟為托。」上曰：「夫人病甚，殆將不起，一見我屬托王及兄弟，豈不快哉？」夫人曰：「婦人貌不修飾，不見君父。
妾不敢以燕惰見帝。」上曰：「夫人弟一見我，將加賜千金，而予兄弟尊言。」夫人曰：「尊官在帝，不在一見。」上復言欲必見之，夫人遂轉鄉噓唏而不復言。於是上不說而起。夫人姊妹讓之曰：「貴人獨不可一見上屬托兄弟邪？何為恨上如此？」夫人曰：「所以不欲見帝者，乃欲以深托兄弟也。我以容貌之好，得從微賤愛幸於上。夫以色事人者，色衰而愛弛，愛弛則恩絕。上所以攣攣顧念我者，乃以平生容貌也。今見我毀壞，顏色非故，必畏惡吐棄我，意尚肯復追思閔錄其兄弟哉！」及夫人卒，上以後禮葬焉。) 一些人認為：李夫人的做法很高明。其實，這是在耍佞幸小把戲，不可取。漢武帝對她確有真感情，李夫人去世後，他讓畫師畫了一幅她生前的肖像，掛在甘泉宮，寄托思念之情。霍光最瞭解漢武帝，後來在祭祀漢武帝時，他一直用李夫人享配，並追封她為「孝武皇后」。
後世對漢武帝征大宛多持否定態度，如唐代李頎在《古從軍行》詩中說：「年年戰骨埋荒外，空見葡萄入漢家。」即，「連年戰死的屍骨無數，都被埋在了荒蠻之野;只看到西域的葡萄進獻到了漢朝的宮廷。」現在，也有人認為：漢武帝討伐大宛，不過艷羨其汗血寶馬。
我們認為：汗血馬只是征大宛的導火索，征大宛是漢武帝「西域戰略」的一個重要組成部分。征大宛在戰略上沒錯：漢匈多年對峙，如果漢朝不征服西域，西域與匈奴聯合，漢朝將處於危險境地;漢朝征服西域把握大，征服匈奴把握小，如果征服匈奴失利，西域又輕視漢朝，漢朝也將陷入危險之中;征服大宛，威震西域，匈奴孤立，對漢朝就不構成威脅了;西域都是蠻國，過去漢朝用「德撫」的效果不明顯，沒有武功，他們是不會真正屈服的。誠然，漢軍回來僅一年多，大宛高等貴族就謀殺了昧蔡，立毋寡的兄弟蟬封為大宛王。但是，他們還是派了蟬封的兒子到漢朝當人質。而且，漢朝在敦煌和酒泉都設置了都尉，一直到西邊的鹽水，沿途都設有亭鄣。在輪台，漢朝留有屯田士卒幾百人，積聚糧食，供給出國使團的飲食，加強了漢朝與西域交流，意義不可小覷。
漢武帝在征大宛上的失誤：1、用人不當。李廣利缺乏軍事才能，只是李夫人的緣故，才出任萬里長征的統帥。第一次征大宛失利和第二次出現的嚴重貪腐現象，他要負全責。3、輪台屠城。這是中國古代戰爭史最令人噁心的一頁，我們今天要為此反省和懺悔，並且要堅決批判。3、賞罰不明。對立功將士的厚賞，無可非議。但李廣利應當免職，不應封侯和繼續帶兵，主要的貪腐分子也都應繩之以法，為眾多餓死的士兵討個公道，以肅軍紀，重振軍威。