汉武帝太初四年（前101年）
春，贰师将军李广利率军返回长安。
李广利沿途所经过的各个小国因为听说大宛已经被攻破，所以纷纷派遣自己的宗族子弟跟着李广利的大军到长安朝拜天子，并留下来做人质。
这一次大军还师，带回来的马匹约有一千多。由于此次出征有了前一次的教训，军粮充足，所以战死的士卒并不多。问题是军中的将官们大多贪污成性，不懂抚恤士卒，随便欺凌士兵，导致很大一部分士兵因此而死。
李广利
汉武帝非常高兴，觉得李广利万里远征劳苦，因此不再追究他第一次犯的错。汉武帝封李广利为海西侯，封斩首郁成王的赵弟为新侯，任命上官桀为少府。其余随军官吏提拔为九卿的一共有三人，封为诸侯国相、郡守以及食俸两千石的一百多人，食俸一千石以下的一千多人。而那些自己主动出征的人，都授予高于他们期望的官职。因为犯罪而被征发入军的，一律免除他们的罪行。对其他士卒的赏赐也有四万钱。
匈奴方面也听说了李广利讨伐大宛的事情，便想在半路狙击李广利。但是后来看到李广利的大军实在太强大，因此又没有动手。后来他们便派遣一支骑兵进入了楼兰国，在楼兰的掩护下等候袭击那些落在大军后面的汉朝使臣，并意图截断大汉通往西域的道路。
楼兰
当时军正任文正在镇守玉门关，他抓到了一个匈奴的俘虏，并从他嘴里问出了匈奴的意图，便将此事上报了朝廷。汉武帝便命任文直接到楼兰国去活捉了楼兰国王，并将他押解到长安接受审讯。楼兰国王说：“我们就是个小国，夹在大汉和匈奴之间，想要生存下去只能两面讨好，我们真的是没有办法呀。”汉武帝知道他说的是实话，没有追究就让他回去了，但前提是他必须随时把匈奴的动态报告大汉。问题是这么一折腾，楼兰王被抓去长安的事早被匈奴知道了。匈奴也不敢再和楼兰合作了。
大宛被攻破以后，西域诸国十分震动。汉朝使者出使西域从此畅通无阻，无人敢再阻拦。于是从敦煌向西一直到盐泽，沿路上建起了亭台。而轮台、渠犁等地甚至还有大汉安排的屯田的数百士兵。汉朝在此设置使者、校尉加以管束，并为各国使者提供方便。
大宛王国
后来过了一年多，大宛的贵族们都觉得是昧蔡勾结汉朝来屠杀自己的百姓，于是便阴谋杀死了昧蔡，而立前国王母寡的弟弟蝉封为大宛王，并将蝉封的儿子送到长安做人质。汉朝也派遣使者赏赐他们财物，以安抚大宛。蝉封和大汉约定，每年向大汉奉献两匹天马。
秋，修筑明光宫。
冬，汉武帝巡视回中。
匈奴的呴犁湖单于去世，他的弟弟左大都尉且且鞮侯被拥立为单于。汉武帝想借着讨伐大宛的气势顺便灭了匈奴，下诏说：“当年高皇帝被困平城，朕始终为不能给高皇帝雪耻而忧心。高皇后时，匈奴单于又写书信侮辱高皇后。当年齐襄公报了九世祖的仇恨，就连《春秋》都赞扬他。”
且鞮侯单于
可没想到且鞮侯单于刚刚即位，非常害怕大汉来打他，便对汉朝说：“我是儿子，怎么能和大汉天子比呢？大汉天子，您是我的长辈！”然后把所有被扣留在匈奴又不愿投降匈奴的人放了回来，比如路充国。同时还派使者来贡献礼物。
