到二百里远，依仗大军兵威很轻视郁成，就发兵猛攻。郁成人探明王申生的队伍人数不多，发动三千精兵在一个早晨猛攻王申生部队，将其攻杀，只有几个人幸免逃了出来。贰师将军李广利命搜粟都尉上官桀攻破郁成城，郁成人投降，国王逃到康居。上官桀率军一直追到康居。此时，康居人已经听说汉朝军队占了大宛，郁成王就被他们交给了汉军。上官桀派四个骑士把郁成王押解到贰师将军李广利那儿去，在路上，他们怕发生意外，上地方来的骑士赵弟就挥剑斩杀了郁成王。

贰师将军率军班师回朝，所经过的小国听说大宛已被汉军攻占，便纷纷派自己的子弟向汉朝纳贡，进见汉天子。后来，这些人都被汉朝扣留作了人质。班师队伍回到玉门关时还有一万多人、一千多匹马。此次征伐大宛，损失惨重，并不是军粮不够，因战而死的人不多，而是因为将吏贪财物，不知道爱惜士卒，克扣侵吞军饷，因此才导致军中大量人马的非战争死亡。汉武帝念其远涉万里征伐获胜，太不容易，也就不再追问领兵将领的过失，并颁下诏书加以嘉奖。诏书说：“匈奴虽迁到大沙漠以北，但仍和附近几个小国策划断绝大月氏派来的使者，拦截残害汉朝使者。汉朝使者和身毒国派往汉朝的使者，被危须国以西的那些国家和大宛相约杀害，阻隔东西交通要道。贰师将军李广利，率师问罪，讨伐大宛胜利，取得郁成王、大宛王的首级。因此封李广利为海西侯，封地千户。”又封斩杀郁成王的上人赵弟为新畦侯。官拜为九卿的三人，诸侯相、郡守二千石俸禄官的一百多人，一千石俸禄以下的官一千多人。因为犯罪受惩罚而去从军的，一律赦免其罪过。兵士赏赐四万钱。