击汉兵，汉兵射败之”，在轰雷掣电般的汉军弓弩面前，大宛军队不管是不是马其顿方阵，都仿佛纸片般脆弱。
于是围城，有丰富治水经验的汉朝水利专家迅速改变了城外的河道，城中水源断绝，然后汉军四十天攻破了外城。恐惧之下，大宛的贵族杀死国王，以交出宝马、为汉军提供军粮为条件，提出和谈。
李广利同意了，这当然没有不同意的理由：杀害汉朝使者的大宛王已死，宝马也已经到手，汉军的目标已经完全实现；大宛提供军粮，纾解了眼前的困窘。哪怕按照儒家经典的标准，这种情况下同意和约，也是完全合理的。
何况，听说大宛城里已经得到汉人叛徒的支持，学会了打井，而城里的粮食还多，如果不同意和谈，那就会变成长久的围城战。而康居国来救援大宛的军队已经到了，他们现在看见汉军军容壮盛不敢出击，拖到汉军疲惫的时候，那就不好说了。
当机立断接受和平，是最明智的选择。后世有人抓住李广利未能进入大宛内城之类的细节不放，未免吹毛求疵了。
最后，汉军从大宛的马群中挑选“善马数十匹，中马以下牡牝三千余匹”，新立了一个亲近汉朝的大宛王，结盟罢兵。等李广利回到玉门关的时候，已经是太初四年（前101年）了，李广利出征时步骑六万人，现在只剩一万；战马三万匹，现在只剩千余匹。
这次胜利具有极其重要的战略意义，它完全确立了汉朝在西域的权威。长安城里的老皇帝，既是一位慷慨仁慈的父亲，又是一个威力无边的魔神，唯一正确的选择，就是匍匐在他脚下，接受他的恩典。李广利回师的
时候，西域各国的国王一改原来首鼠两端的观望态度，纷纷把子弟送到他的军中，让他们去长安城朝见皇帝，也作为人质。
但汉朝付出的代价也极其惨重，两次远征西域，除了“捐五万之师，靡亿万之费，经四年之劳”（《汉书•陈汤传》）这个直接损失外，更可怕的是它突破了社会承受力的极限，无数人流离失所，接下来的日子里，民变会不断爆发。
凝结为历史记忆，就是《汉书》中的八个字：“海内虚耗，户口减半。”
司马迁无疑非常反感这次远征，后世很多评论者都注意到：出征前，司马迁极力渲染汉朝付出之多，胜利后，他又分明点出汉朝收获之少，显然是在说得不偿失。
并且他尤其讨厌李广利这个人。司马迁评论说，远伐大宛能够取得成功，靠的是军正赵始成的力战，搜粟都尉上官桀的敢于深入，和校尉李哆的出谋划策。言下之意，李广利只是坐享其成罢了。司马迁还说：
贰师后行，军非乏食，战死不能多，而将吏贪，多不爱士卒，侵牟之，以此物故众。
贰师将军的后一次出兵，军队并不缺乏食物，战死者也不能算多，但是将吏们贪污，大多不爱士卒，侵夺粮饷，因此才死了这么多人。
这些评价也未必公平。就算李广利的贡献只是不添乱，但不添乱的统帅也已经非常难能可贵了。而且司马迁可能大大低估了这种规模的远征的难度，现代研究历史地理的学者，评价也许就完全不同：
李广利或许并非卫青、霍去病那样的军事天才，但这次万里远征不愧是军事史上的奇迹。在当时的交通条件下，超过六万的汉军从全国各地集中到玉门关出发，横穿沙漠，翻越帕米尔高原，往返行程达五千余公里，其中一部甚至追击敌人直到咸海和巴尔喀什湖之间的康居，其艰苦卓绝是今天难以想象的。如果没有坚强的意志、高效的动员、严明的纪律、强大的后勤保障以及旺盛的进取冒险精神，此次远征是不可能成功的。49
毕竟，司马迁没有在战争前线的生活经验，只对大后方生活的惨痛感受至深。看见那么多物资源源不断输送往前线，他也很难想象，除非高层挥霍而无能（当然这种挥霍一定确实存在），有什么理由会送不到将士们手里？
后世有可能为李广利翻案的重要学者，自然首先是班固。无论对军事后勤还是西域问题，班固的理解无疑比司马迁深刻得多（他是班超的哥哥，而且有随军出征的经验），但班固没有这么做。这也是李广利的不幸：主流舆论高度评价他的时候，历史学家是喜欢发表个性言论的司马迁；等到把主流舆论说到最高水平的班固登场时，官方评价已经把他批倒批臭了。
当然也必须承认，司马迁憎恶李广利，牵涉到一些私人恩怨。