漢匈漠北大戰結束後不久，霍去病因病去世，年僅22歲，又過了十多年，衛青也病逝了，短短10多年時間大漢的帝國雙壁雙雙隕落，同時期，當年那些跟隨衛青霍去病橫掃匈奴、封狼居胥的老兵強將也老的老、病的病、傷的傷。所幸這一時期漢帝國與匈奴沒有大的戰事，但帝國軍界軍事人才青黃不接的問題已然暴露無疑，漢武帝劉徹已然認識到這個問題的嚴峻性，就在衛青去世後不久，劉徹就開始著重培養李廣利為漢軍新的統帥。
李廣利是劉徹最寵愛的小老婆李夫人的哥哥，憑著劉徹的愛屋及烏、憑著李夫人的裙帶關係，李廣利很快進入了劉徹的視線，李廣利從郎官（中級軍官）干起，一路走的很順暢，再加上彼時漢帝國對外的軍事行動寥寥無幾，李廣利也沒有得到多少軍功，作為以軍功立國的漢軍來說，沒有軍功，你是無法在漢軍中立足的，想當年，一代名將李廣不也是沒有軍功，終身沒有被封侯，以至抱憾一生。李廣利迫切需要一次機會來證明自己，幾乎說來就來。
太初元年(公元前104年)夏天，因為漢武帝劉徹向西域小國大宛索要汗血寶馬，被大宛王拒絕，武帝震怒之下，下詔討伐大宛，而李廣利就是此次軍事行動的總指揮。李廣利率領6萬漢軍從帝國的西部重鎮敦煌出發，李廣利所到之處，沿途各個小國攝於漢軍的軍威紛紛出兵出糧相助漢軍。唯有輪台國不降，還拒絕漢軍通過輪台國境，李廣利毫不猶豫地對輪台國發起了滅國戰爭，結果不出意料，在龐大的漢軍攻勢下，孱弱的輪台國迅速被攻滅，成為了大漢的國土，此後輪台成為了漢軍在西域最重要的軍事據點。在攻滅輪台國後，漢軍先頭部隊三萬人順利推進到大宛王都。大宛軍趁漢軍初來乍到率先攻擊漢軍，結果被漢軍密集的弓弩射殺，損失慘重。大宛軍只得改變戰術，逃到城堡內憑藉城牆負隅頑抗，戰爭又一次進入了膠著狀態。
李廣利的副將們紛紛請求李廣利停止攻擊，等待漢軍主力到達後在發起總攻，但李廣利認為漢軍勞師遠征，大宛本土作戰，漢軍利在速戰，一旦久拖不決，勢必會影響漢軍的士氣，到時候就更難辦了，不如趁漢軍初到，士氣正旺，且大宛新敗，士氣低迷，漢軍發起進攻，可以有意外的收穫。最終李廣利力排眾議，下達了漢軍總攻的命令，李廣利把攻擊目標選擇大宛的王城——大宛城，以收擒賊先擒王之效果。面對大宛軍的負隅頑抗，李廣利改變戰術，他命令漢軍掘開大宛城的水源，切斷大宛城的水源供給，並把大宛城團團包圍，四十多天後大宛城終於受不了了。
大宛城內的大宛貴族們相互商量道:「漢朝之所以來攻打大宛，是我們國王毋寡隱藏了好馬而殺害了漢朝使者。如果殺掉國王毋寡並拿出好馬，漢軍之圍當可解脫;即使不解，再奮戰而死，也為時不晚。」大宛的貴族們都認為這樣對，於是，合謀殺死了大宛王毋寡，打開城門向李廣利投降，李廣利順利進入了大宛城。
李廣利佔領大宛城後，擁立大宛貴族中過去待漢人友好的昧蔡為大宛新的國王，並留下部分漢軍長期駐紮在大宛，同時，在大宛全境挑選了3000匹汗血寶馬帶回長安。戰後，李廣利因功被冊封為貳師將軍、海西侯，並成功躋身漢軍統帥的高位。
莽子曰：李廣利起於微賤，個人作風雖不檢點，且不體恤士卒，見利忘義，離名將的要求遠矣。然衛青霍去病後，漢軍中可堪大任者鮮矣，李廣利以李夫人之故，見幸於武帝，武帝以上將軍任之，李廣利率漢軍橫行沙漠，萬里奔襲，滅輪台、戰大宛，擒大宛王，揚威西域，威震四方，亦不失偉丈夫也。
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