李广利犹豫再三，最后还是决定继续北上，希望通过建立更大的战功，来换取武帝刘彻的宽恕。退一步讲，即使要投降匈奴，也要经过一番力战之后再投——如此才能得到对手的尊重，从而抬高自己的身价。
主意已决，李广利遂命麾下将领率两万骑兵为前锋，渡过郅居水。恰在此时，匈奴的左贤王和左大将也率两万骑赶到。双方在郅居水北岸展开了一场遭遇战。由于两军兵力相等，基本上势均力敌，谁也无法轻易占到上风。
双方整整鏖战了一日，汉军越战越勇，终于在当天夜里将匈奴军击溃，并斩杀了左大将。匈奴军伤亡惨重，残部仓皇北遁。
就像李广利期待的那样，汉军果然再立一功。此次出征已经接连取得了两场胜利，如果不是后方出了那档子事儿，李广利兵团完全有可能乘胜北上，取得更大的收获。
然而，李广利“后院起火”的消息，早已在军中悄悄传开。谁都能判断出，他们这位主帅投降匈奴的可能性非常大。尤其是李广利的左右手，更是对此忧心忡忡。其麾下长史便与另一位将领密谋道：“李将军已对朝廷怀有异心，他是想拿将士们的性命换取战功——这么下去恐怕必败无疑。”
随后，两人决定一不做二不休，发动兵变逮捕李广利，夺取指挥权。