汤毫不敛缩，反按剑相叱道：“大众齐集，往讨郅支，竖子尚敢阻众么！”敢作敢言。说得延寿瞠目伸舌，不敢异议。及询明实情，才知汤乘着己病，矫制调来。那时箭在弦上，不得不发，只得与汤部勒兵士，分作六队，即日起行。三队从南道逾葱岭，由大宛绕往康居，延寿与汤自率三队，从北道过乌孙国都，入康居境。行至阗池西面，适值康居副王抱阗，领数千骑，侵赤谷城，掳得人畜回来，被汤麾兵截杀一阵，夺还人口四百七十人，交付乌孙大昆弥，牲畜留给军食。再西行入康居界，访闻康居贵人屠墨，与郅支不协，因使人召他至军，晓示祸福，屠墨自愿乞和。汤即与歃血为盟，遣令还抚部众，毋得抗汉，一面沿途揭示，不犯秋毫。途中复得屠墨从子开牟，使为向导，直向郅支居城进发。距城约三十里，扎定营盘。
可巧郅支差人到来，诘问汉兵何故到此？陈汤出应道：“汝单于上书归汉，愿遣侍子，故我朝特发兵相迎，因恐惊动左右，未便遽至城下，请单于送交妻孥，我等即当东归。”将计就计。使人返报郅支，郅支本为缓兵起见，设词诳汉。不意弄假成真，惹引汉兵入境，难道真个割舍妻子，送交汉营？当下再遣使诱约，但言行装未备，须宽限时期。汤只准宽限三两日，限满又去催促，郅支只管延宕。两下里使节往来，约有数次，汤忽然作色，怒对来使道：“我等为单于远来，劳兵糜饷，今到此多日，未见一名王贵人，来报实信，为何单于慢客至此？我等粮食将尽，人马困乏，再若延挨，势且不得生还，敢请单于速定筹画，毋得误我！”仍是以假应假。来使自依言回报，郅支虽亦知汉将诈谋，惟远来粮少，想是真情，但教谨守不理，汉兵无粮，不去何待？当下号令人马，分头拒守。城上悬着五彩旗帜，令数百人戴盔披甲，登陴序立。再用壮士百余人，夹门立阵，门下使游骑百余，往来巡逻。
布置甫定，见汉兵已鼓噪前来，百余游骑，却也不管好歹，就纵马来突汉兵，汉兵早已防着，张弓迭射，箭如雨注，得将胡骑射退。汉兵从后追击，遥见城上胡兵，拍手相招道：“能斗即来！”汉兵毫不怯惧，纷纷薄城，用箭仰射，飞上城头。城上守兵，退落城下；城门内外的壮士，亦皆敛入，把门关住。汉兵四面围城。城有两重，外用木城，内用土城，木城有隙，里面胡兵，射箭出来，伤毙汉兵数人。延寿与汤，愤不可遏，命兵士纵火烧城，木城遇火，立即延燃。胡兵抵御不住，多半逃入内城，只有数百锐骑，出外拦阻，统被汉兵射死。汉兵前拥刀牌，后持弩戟，一齐扑入木城，扫尽胡兵，然后再攻土城。郅支单于见汉兵势盛，意欲出走，转思汉兵经过康居，未闻开仗，定是康居挟嫌助汉，任令通道，且汉兵阵内，夹入西域各国兵马，眼见西域诸王，亦皆为汉效力，就使得脱重围，也是无路可奔。因此决计死守，兵马不足，连宫人亦驱登城楼，自己全身披挂，上城指挥。大小阏氏，约数十人，有几个颇能射箭，也弯着强弓，俯射汉兵。汉兵用秾为蔽，觑着空隙，还射上去，弓弦迭响，射倒大小阏氏数人。可谓直中红心。有一箭不偏不倚，正中郅支鼻上，郅支忍痛不住，退入城中。宫人越觉胆怯，自然随下。
汉兵方思缘梯登城，突闻康居发兵万余，来救郅支，王女已经被杀，想是郅支女得宠康居，故以德报怨。延寿与汤，不得不暂缓扑城。时又天暮，且守住营寨，防备康居兵冲突。陈汤复想出一法，暗遣裨将带领偏师，悄悄的抄至康居兵后，举火为号，以便夹击。裨将奉命，乘夜行兵，无人窥悉。康居兵但顾前面，与城中人遥相呼应，喊声四震，奋突汉营。汉营坚壁勿动，待至逼近，方用硬箭射去，济以长枪大戟，迎头痛刺，任他康居兵如何强悍，也觉无孔可钻，一夜间驰突数次，俱被击却。看看天色微明，康居兵已皆疲倦，不意汉营中鼓声忽起，领兵杀出。康居兵急忙退后，回头一望，更不得了，但见火光四迸，烟焰中拥出许多汉兵，截住去路。吓得康居兵进退失据，被汉兵夹击一阵，好与斫瓜切菜相似，万余骑死了八九千，单剩得一二千人，抱头窜去。延寿与汤，既杀败康居兵马，乘势攻扑内城，四面架梯，冒险乘陴，顿将内城捣破。郅支挈同男女百余人，逃入宫中，汉兵纵火焚宫，阖宫大骇。郅支硬着头皮，拚命出战，怎禁得汉兵拥入，团团围住，一着失手，便被斫倒。军侯杜勋，抢前一步，枭了郅支首级，携去报功。诸将士陆续入宫，杀毙阏氏太子名王以下千五百人，生擒番目百四十五人，收降胡兵千余人，搜得汉使节二柄，并前时谷吉所赍诏书。此外金帛牲畜等件，悉数搬取，由甘延寿陈汤两主将，酌量分给，除赏赐部众，遍及各国随征兵士，全体腾欢。
先是延寿与汤，矫诏发兵，已经上书自劾，至阵斩郅支，复将首级献入长安，请悬诸藁街，威示蛮夷。藁街系长安市名，蛮夷使馆，尽在此处，故有是请。石显闻得延寿功成，大为拂意，先使丞相匡衡奏请，时当春令，应掩骸埋胔，不宜悬示虏首。偏车骑将军许嘉，右将军王商，谓春秋夹谷一会，齐优戏侮鲁君，孔子即令将优施处斩，盛夏施刑，首足两分，异门取出。今郅支逆命，幸得受诛，正宜悬示十日，方可埋葬。有诏从两将军议。匡衡见不