貳師將軍李廣利派人去破壞貴山城水源的同時，也加強了對大宛王城的軍事壓力，四十余日連續不停的攻擊，使得貴山城中的士兵無法支持下去了。
漢軍最終又爬上了貴山城外城的城牆，大宛守兵無心戀戰，就連負責貴山城具體防務事宜的大宛勇將煎靡，也被漢軍生擒活捉。漢軍摧毀了貴山的外城，大宛人大為震驚，一窩蜂地逃入中城，緊閉城門。
漢軍一鼓作氣，又把貴山中城團團圍住，連日攻城不止。漢軍的迅猛攻勢使得大宛的一部分王族和高官發生了動搖，他們互相商量說：“漢朝人之所以來攻打我們，都是大王毋寡把汗血馬隱藏起來不算，而且殺了漢朝的使者。現在唯一的辦法就是獻出毋寡的人頭，交出汗血馬，漢軍之圍還有可能解脫。如果漢軍還不能解圍的話，那時候我們再繼續奮戰到死，也為時不晚。”大宛的高級官員們都認為可以一試。這樣，政變爆發，大宛的高級官員們共同殺死了大宛王毋寡。
大宛的使者提著大宛王毋寡的人頭去求見貳師將軍。他對貳師將軍說：“如果將軍下令漢軍停止進攻，我們將獻出所有的汗血馬，任憑你們挑選，並且供給你們糧食。如果將軍拒絕停止進攻，我們就把所有的汗血馬全部殺光，繼續和你們死戰到底。而且我們已經派人去康居國求救兵去了。到時候，我們大宛兵在城內，康居的救兵在城外，內外夾擊漢軍。屆時你們將陷于兩面夾攻的窘境，請將軍仔細考慮和抉擇。”
其實這時候，康居國偵探窺伺漢兵，覺得漢朝兵多將廣，攻擊性強，所以不敢出兵。但貳師將軍李廣利覺得大宛使者提出的條件已經可以了，就找來趙始成和李哆到營中商量應對的策略。
貳師將軍李廣利說：“聽說貴山城內最近俘虜了一些漢朝人，其中有些會穿井汲水，而且大宛人在貴山城中准備了大量的糧食，所以我覺得應該速戰速決。”
李廣利又給手下談了大宛人提出的條件，他隨後補充說：“我們這一次出兵，主要就是誅滅罪魁禍首大宛王毋寡。現在毋寡的人頭已在我們手里，如果還不允許解開兵圍，對方必然拼命死守。一旦漢軍久攻疲憊，康居國的援軍必然出動，到時候漢軍的失敗就是必然的事情了。”
趙始成和李哆等人都同意貳師將軍的想法，他們決定下來，答應了大宛的要求，停止了對貴山中城的圍攻。
大宛人松了一口氣，馬上給漢軍提供糧草補充。並放出他們隱藏起來的好馬，讓漢軍自行挑選。李廣利令隨軍的兩位相馬專家負責這項工作，他們挑出了上等好馬幾十匹，中等以下公馬、母馬一共三千多匹。
貳師將軍還指定一位當初對漢朝使節較為親善，名叫昧蔡的貴族，繼任為大宛國國王。漢宛兩國訂立盟約之後，貳師將軍下令撤兵。漢軍信守諾言沒有進入貴山中城，就結束這場戰爭班師回國了。