《史記》中記載，西域國大宛“多善馬，馬汗血，其先天馬子也” 。意思是這種汗血寶馬的祖先是天馬的兒子。傳說大宛國有高山，山上有天馬，人力不可得。於是大宛人將五色母馬放在山下，五色母馬與天馬相交，生下的馬駒就是汗血馬，因此汗血寶馬又稱為天馬子。
為了得到這種傳說中的神奇寶馬，漢武帝兩次發動了對大宛的戰爭。漢武帝為了征服匈奴、打通西域，必須擁有強大的騎兵部隊，對於優良品種的好馬，總是夢寐以求。他聽說大宛國出產一種能夠日行千里的名馬：汗血馬，不禁大喜過望。為了得到汗血馬，漢武帝不惜用黃金打造兩匹駿馬，派遣使者車令到大宛國換兩匹種馬回來。
車令將兩匹黃金馬運到了大宛，擺出天朝的架子，態度傲慢地要跟大宛國王換馬。偏偏大宛國王不吃他那一套，見漢朝使者態度如此倨傲，自然不願意。車令怒氣衝衝，竟然開始詬罵大宛國王。雙方爭吵不休。車令大怒下，自己走上前前，推碎了金馬。
後來車令也有些後悔，但已經晚了，只好將金屑收集起來，準備運回漢朝。但車令前去大宛的路上，一路張揚，早惹得大漠上許多人的注意。此時他悻悻而回，正好給人以可乘之機。路過鬱成時，鬱成王派人阻住了車令去路。車令領著手下與鬱成軍隊爭鬥一番，對方人多，寡不敵眾，所攜金馬的碎塊，都被鬱成軍隊奪走，車令也在混亂中被殺死。
消息傳到長安，漢武帝勃然大怒，決定出兵討伐大宛。漢武帝一生中慣於從身邊的女人身上去發掘人才，培養將帥人選。原先寵愛皇后衛子夫，就發掘了她的弟弟衛青與她的姨侄霍去病，加意培植，全力支持，終於衛青和霍去病二人帶領大軍，遠涉漠北，徹底擊潰匈奴的主力，留下燕然勒石的佳話，如今又因為遠征大宛，發掘出李夫人的兄長李廣利。
漢武帝聽說大宛兵少，只要漢軍三千人就可以蕩平，於是派李廣利率領“屬國六千騎，及郡國惡少年數萬人”出征，並封他為“貳師將軍”，期望他直搗貳師城（今土庫曼斯坦阿斯哈巴特城），取回汗血馬。
孤軍遠征，遠涉大漠，水土不服，補給困難，將領們紛紛勸阻，但是漢武帝立意已堅，要不計代價地勞師遠征。 李廣利出身市井，毫無作戰經驗，一出征就遇到意想不到的困難。漢軍出了鹽澤後，沿途都是沙磧，無糧可因，無水可汲，而當道的小國都固守境界，不肯給食。漢軍必須攻下這些小國才能取得糧食、給養，只好邊打邊進。許多漢兵都忍不住飢渴，倒斃在路中。漢軍到達鬱成時，已經只有數千人。
而鬱成因為殺死漢使車令，早就擔心漢軍前來報復，一直嚴兵守候。兩軍交戰，飢乏的漢軍無法取勝，反倒折傷了一半人馬。李廣利見取勝無望，便沒有繼續向大宛進發，而是率軍撤退。太初三年（前102年）漢軍退回敦煌時，所剩的士兵只有出發時的十分之一二了。
漢武帝原想給李廣利立功的機會，等他得勝回朝，就立即授封爵，沒想到他卻大敗而回。所以，當李廣利派人向朝廷報告並要求罷兵時，漢武帝大怒，派人在玉門關阻止李廣利等入關，並傳諭李廣利軍前：如有一人敢入此關，立即斬首。
漢武帝並沒有就此放棄奪取汗血馬的念頭，他認為堂堂漢朝，若是連大宛這樣的小國都不能征服，將會使所有西域國家輕視漢朝，於是堅持繼續攻打大宛，並將主張與大宛停戰的鄧光等人治罪，同時徵發壯丁、籌集馬匹，準備再戰。
太初四年（前101年），漢武帝命令李廣利再次攻大宛。這次徵大宛的漢軍達六萬人，牛十萬，馬三萬匹，驢、駱駝等上萬。為了支援征伐大宛的軍事行動，徵兵集糧，“天下騷動”。又專門發天下七科謫戍，為李廣利軍運糧（七科：謂吏有罪一，亡命二，贅婿三，賈人四，原有市籍五，父母有市籍六，祖父母有市籍七）。
這樣一支浩蕩的隊伍，對沿途小國發生了鎮懾作用。李廣利大軍所到之處，西域各國無不爭相迎送。只有輪臺一城閉門拒絕，李廣利揮兵攻打數日，城破後大肆屠城，從此乘勢長驅，直到大宛，一路毫無阻礙。不過即使如此，到達大宛的漢軍也只剩三萬人了。
在大宛城下，漢軍遇到了激烈抵抗，攻打四十多天不下。最後還是大宛貴族殺掉了大宛國王向漢軍求和，漢軍才得取勝。漢軍挑選了數十匹好馬，並立親漢的大宛將昧察為國王，然後結盟而還。這實際上是一場失敗的戰爭，等到李廣利的漢軍回到玉門關時，僅剩一萬餘人而已。
這場為了得到汗血寶馬的戰爭，“損五萬之師，靡億萬之費，經四年之勞，而謹獲駿馬三十匹”。但既然迫使大宛國訂了城下之盟，取回了汗血馬數十匹，漢武帝便認為是空前的勝利。不管划算不划算，李廣利總算滿足了漢武帝的心願。更何況在“凱旋”東還時，沿途各小國懾於漢軍軍威，簞食壺漿，郊迎王師，爭先恐後派遣子弟攜帶方物珍寶，隨軍東來為質於漢朝。漢武帝龍心大悅，加封李廣利為海西侯，食邑八幹戶。當年衛青、霍去病橫掃匈奴，所得封賞也不過如此而已。
十一年後，徵和三年（前90年），匈奴兵入侵酒泉。漢武帝派李廣利率兵七萬前去抵禦匈奴。李廣利起程前，由丞相劉屈犛送至渭橋，李廣利私下說：“丞相若能早些請立昌邑王為太子，富貴定可長享，必無後憂。”
此時漢武帝已經七十歲，太子劉據因為巫盅之禍冤死後，漢武帝一直沒有立太子。昌邑王劉髆是李廣利的妹妹李夫人所生，也就是李廣利的外甥。而劉屈犛也是皇親國戚，是漢武帝的兄長中山王劉勝的兒子。劉勝嗜酒好色，家中有妾一百多人，兒子也有一百二十人之多。劉屈犛的兒子劉屈釐娶了李廣利的女兒，
兩家是兒女親家。
李廣利出師後，劉屈犛加緊活動，想讓漢武帝立昌邑王劉髆為太子。不久被人揭發，說劉屈犛的妻子派女巫祈禱鬼神，詛咒皇帝。漢武帝大怒，將劉屈犛腰斬，妻子被斬首，李廣利的家人也因為有牽連，被捕下獄。
李廣利正在前線與匈奴作戰，聽到妻子被逮捕下獄的消息，立即拋棄大軍，隻身向匈奴投降。這個因為裙帶關係而發家的貳師將軍，終於成了投降匈奴的變節者。武帝聽說李廣利投降匈奴後，屠戮了李氏一門。
李廣利投降後，匈奴單于聽說他是漢朝大將，特別優待，後來聽說武帝殺了李廣利全家，單于還特意將自己的女兒匈奴公主許配給李廣利。之前投降匈奴的漢使者衛律見單于對李廣利的尊寵在自己之上，心懷妒忌，借單於得病之時，買通了巫師，說單于得病是因為李廣利殺戮匈奴軍太多。單于信奉鬼神，於是在祭祀的時候殺了李廣利。李廣利竟然在死前來了一番豪言壯語，怒罵單于說：“我死必滅匈奴！”
李廣利死後，胡地連下了好幾個月的雨雪，牲畜多半凍死，匈奴部落中也開始大面積地流行疫病。單于大為恐懼，懷疑是李廣利的鬼魂回來報復，於是專門為李廣利立了祠堂。
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