西漢武帝時期，西域有個大宛國（今中亞細亞），盛產寶馬。據說，這種馬體魄雄壯，日行千里。漢武帝早先就聽第一次出使西域的張騫說起此事。為換取這種寶馬，漢武帝派人給大宛國王送去一匹金鑄的馬，外加黃金一千斤。誰知大宛國王捨不得換，漢使一再懇商，他卻執意不肯，氣得漢使當場把金馬搗碎了。漢使返回路過宛國屬地鬱成時，又被劫殺，攜帶的金子全被奪走。漢武帝寶馬沒有得到，還落得個人財兩空。
漢武帝聽到訊息後，勃然大怒，立即決定出師討伐。然而，該派誰率師出征好呢？武帝聽人說，大宛國雖然距離漢朝遙遠，但國小兵弱，派幾千人就能蕩平。這樣一個容易建功的機會當然要留給自己寵信的皇親國戚，名將霍去病、衛青雖是外戚，但此時已相繼病逝。武帝想起了已故李夫人的哥哥李廣利。
說起這位傾國傾城的李夫人，原本出身在一個歌舞世家，天姿豔麗，體態輕盈，能歌善舞。她入宮以後，深受漢武帝寵愛。只可惜紅顏薄命，正當青春妙齡之時，卻突然一病不起。據說，這位李夫人很有心計，在她病重期間，漢武帝親自去看她，她推說沒有梳妝打扮，不願相見。待武帝走後，身邊的姐妹說她逆忤君心，不近人情。她卻對她們說：“女人靠美色受寵。我已是快死的人了，形體容貌自然今非昔比。若讓皇上看到我現在這副模樣，必然嫌棄，日後就不會再追念我了，也就更不會照顧我的兄弟姐妹了。”
漢武帝果然沒有忘懷李夫人，把伐宛建功的機會給了李廣利。因大宛寶馬以屬地貳師所出的最優，而伐宛的目的也就是要獲取寶馬，所以拜李廣利為貳師將軍，率六千鐵騎，以及郡國無賴少年數萬人，進兵大宛。
大軍出玉門關後，經過鹽水（今新疆羅布泊），進入一望無際的戈壁沙漠。沿途無水可飲，各小國又堅壁固守，不肯供給糧食，所以到了鬱成城時，部隊僅剩下幾千人，自備的乾糧也都吃光了。李廣利率領這群疲憊不堪而又飢餓難忍計程車兵攻打鬱成城，誰知鬱成城自上次殺死漢使之後，怕漢軍會來報復，早就加修城池，積極防備了。雙方一交戰，漢軍不利，損失人馬過半，李廣利只好收兵退回敦煌。
李廣利在敦煌上書漢武帝，彙報了這次出師的經過，並請求暫時罷兵，理由是漢與大宛相距太遠，一路缺糧缺水，行軍艱難，軍隊會不戰自潰。漢武帝看了上書後，見李廣利喪師還言罷兵，非常惱火，立即傳諭軍前：敢入玉門關者，一律斬首。李廣利無可奈何，只好屯兵敦煌，靜待命令。
漢武帝太初三年（公元前102年），經過一年多的準備後，漢武帝決定再次興師討伐大宛。碰巧，此時漢軍剛與匈奴打了個敗仗，將軍趙破奴屬部二萬餘人全軍覆滅。朝中百官都主張罷伐宛之兵，集中力量討伐匈奴。漢武帝則認為，漢軍不能征服大宛這樣一個區區小國，西域各國就會輕視漢朝，匈奴也會因此而更加驕橫，因而決計要發兵攻宛。
武帝大赦罪犯，又徵發各地無賴少年，加上邊境騎兵，組成了一支有騎兵六萬、步卒七萬的伐宛增援軍，讓他們備足糧餉和武器，開赴敦煌，由李廣利統一指揮。這次武帝決心踏平大宛，大軍出發時，他還專門派兩位精通馬道的都尉官擔任執馬官和驅馬官，讓他們在攻宛成功後，負責挑選寶馬牽回來。
這一次漢兵人多勢眾，軍威頗壯。西域各國都很害怕，主動送糧食，獻車騎，不敢怠慢，態度與前次迥然不同。只有一個輪臺城堅閉城門，結果被漢軍攻陷，慘遭屠城。
大軍到達鬱成時，李廣利想到先前漢使被殺，自己又兵敗而返，本準備猛烈攻擊一番，以洩心中怒氣，又怕耽誤時間，讓宛城準備充分，不利於攻城。“小不忍則亂大謀”，李廣利還算明智，竟率軍繞過鬱成，直抵宛城。
宛城城內沒有水源，居民飲水全靠城外流水。李廣利得知這個情況後，便先前派人將河水改道，斷絕宛城水源，接著集中全部人馬圍攻。宛城雖然城堅兵勇，畢竟抵擋不住漢軍的猛烈攻勢。四十多天後，外城被攻破，宛城危在旦夕。城裡已是人心惶惶，一部分達官貴人私下謀劃說：“我們國王藏匿寶馬，又殺死漢朝使節，致使漢將李廣利率大兵來攻。眼下宛城已危在旦夕，不如殺死國王，獻出寶馬，與漢人講和。萬一漢人不願，我們再背城一戰也不遲。”大家都表示贊同，便一起殺了國王。
他們派使獻上國王的首級，並對李廣利軟中帶硬地說道：“大宛人從來不敢輕視漢人，這次事情都是國王一人所為。只要將軍不再攻城，我們可以送出城中所有的寶馬，任你們挑選，還願意供給你們糧食。如果將軍不答應，我們就只好盡殺寶馬，與漢軍決一死戰了。而且康居國的援兵也快要到了，到時來個裡應外合，勝負也很難說，請將軍權衡定奪吧！”李廣利覺得宛使說得有理，便答應了他的請求，停止攻城。
宛人依約送出城中寶馬，還送了不少糧食。李廣利叫負責選馬的兩個都尉官從中挑選了幾十匹最好的寶馬，又挑了三千餘匹中等以下的馬，然後班師回朝。
回師途中，李廣利終於踏平鬱成，擒殺鬱成王，總算給自己出了口氣，替先前死去的漢使報了仇。
李廣利回到長安後，因為不虛此行，總算給漢武帝弄回了寶馬，遂受封為海西侯，食邑八千戶。屬官各有升遷和賞賜。
早先張騫從西域回來時，烏孫國王曾派人隨他一同到長安，獻上幾十匹烏孫產的高頭大馬。這次李廣利從大宛帶回來的寶馬比烏孫馬還要雄壯，武帝自然非常高興，遂改稱烏孫馬叫“西極馬”，而把宛馬稱作“天馬”。
宛城得馬以後，李廣利曾兩度北伐匈奴，因才智平平，都沒有建功。
漢武帝徵和三年（公元前90年），李廣利再次受命率騎兵七萬，出五原郡，北擊匈奴。正當雙方廝殺拚戰，碧血黃沙之時，李廣利聞知家裡因“巫蠱”之罪而遭滅族，很是憂懼。為避罪而從軍的部下胡亞夫便從旁慫恿道：“您現在妻室家人都已經被官府關押，如果返回，稍不稱意，便同樣會被關到大牢裡去，永無出頭之日。到那時候，您就是想投降匈奴，也是不可能的呀。”李廣利聽罷，雖有些猶豫不決，但尚想深入敵人腹地以邀功請罪，便率部向北渡郅居水（今蒙古色楞格河）。這時，敵兵已逃得無影無蹤。李廣利遣護軍率領二萬騎渡過郅居水。
一天，正值匈奴左賢王左大將率二萬騎與漢兵鏖戰整日，漢軍殺死左大將，匈奴死傷者頗多。漢軍長史與決眭都尉煇烽渠侯謀劃道：“將軍李廣利心懷叵測，意欲危害大家以邀取功名，不能讓他的陰謀得逞！”決定一齊要挾貳師將軍。李廣利聽罷，斬殺長史，率領隊伍退至速邪烏燕然山（今蒙古杭愛山）。狐鹿姑單于瞭解漢軍勞累疲憊的狀況，遂親自率領五萬騎攔截攻打貳師。一時短兵相接，互相廝殺，雙方傷亡都很大。最後匈奴想出一條計謀，深夜挖一條深達數尺的壕溝，直通到漢軍大本營前，從背後猛擊，漢軍陣勢大亂，李廣利投降。
單于為攏絡李廣利，將女兒許配給他。誰知，有個先前投降匈奴的漢使名叫衛律的，嫉妒李廣利受寵，趁單于病重時進言說：“廣利屢次入侵，得罪了匈奴的社稷之神，才使單于染疾。應該用他去祭社，單于的病體才會康復。”單于果然聽信讒言，要殺李廣利祭神。李廣利還以為是單于無情，臨死前怒罵道：“我死以後，匈奴必滅！”說來也巧，此後數月，匈奴雨雪不止，牲畜大量死亡，五穀不生，瘟疫流行。單于很害怕，以為是冤枉而死的李廠利在作祟，便給他立了個祠。