寿只好听从了他的安排。于是，他们整顿军队，部署阵型，汉朝和西域各国的军队加起来共有四万多人。甘延寿、陈汤向朝廷上疏，弹劾自己假传圣旨的行为，同时陈述了军事行动的情况，当天就率领军队分路进发，兵分六路（按《陈汤传》，增设了阳威、合骑、白虎这三校，加上副校尉、戊校尉、己校尉，一共六校；）：其中三校从南路翻越葱岭（今帕米尔高原 ），经过大宛；另外三校由都护甘延寿亲自率领，从温宿国（今新疆乌什 ）出发，从北路进入赤谷城（今新疆乌什 ），经过乌孙，（温宿国，东边到都护治所二千三百八十里，北边到乌孙赤谷城六百一十里 ），进入康居境内，抵达阗池（今吉尔吉斯斯坦伊塞克湖 ）西边。这时，康居的副王抱阗率领数千骑兵侵犯赤谷城东面，杀死抢掠了大昆弥一千多人，驱赶了大量的牲畜，在汉军后面与汉军相遇，还多次抢劫汉军的辎重。陈汤指挥胡兵迎击，杀死四百六十人，救回被抢掠的百姓四百七十人，交还给大昆弥，还把缴获的马、牛、羊用来供应军队食用。此外，还抓获了抱阗的贵族伊奴毒。进入康居东部边界后，陈汤下令军队不得进行抢掠。他暗中叫来了康居的贵族屠墨，和他见面，向他宣扬汉朝的威严和信用，和他一起饮酒、结盟，然后放他回去。（既和他一起饮酒，又和他结盟 ）之后，军队继续前进，在距离郅支单于城大约六十里的地方扎营。又抓获了康居的贵族具色子男开牟，让他作为向导。他们都对郅支单于心怀怨恨，因此汉军详细地了解了郅支单于的情况。第二天，军队继续前进，在距离单于城三十里的地方，再次扎营。

郅支单于派使者前来询问：“汉朝的军队为什么来到这里？”汉军回应说：“单于您上书说：‘处境艰难，希望归附强大的汉朝，亲自入朝拜见。’天子怜悯单于，舍弃了大国，委屈自己住在康居，所以派都护将军来迎接单于和您的妻子儿女。（当时，甘延寿只是西域都护，因为率领军队，所以被称为将军。到了光武帝时期，就任命贾复为都护将军。贾复的都护之职，大概是负责统领众将 ）我们担心惊扰到您身边的人，所以不敢直接到城下。”使者多次往来沟通，甘延寿、陈汤趁机责备他们说：“我们为了单于远道而来，到现在却没有看到有名望的王公、大臣来拜见将军，接受命令，（师古注：名王，指匈奴诸王中地位尊贵的；受事，指接受命令并办事 ）单于为什么如此轻视大事，不遵守待客的礼节呢！我们的军队远道而来，人和牲畜都疲惫不堪，粮食也快吃完了，恐怕无法顺利返回，希望单于和大臣们慎重考虑对策！”

第二天，汉军向前推进，抵达郅支城的都赖水边，在距离城池三里的地方，停下扎营，摆开阵势。只见单于城上插着五彩的旗帜，数百人穿着铠甲登上城墙；又有一百多名骑兵在城下往来奔驰，还有一百多名步兵在城门口排列成鱼鳞阵（师古注：说他们排列紧密，形状像鱼鳞一样 ），进行军事演练。城上的人还向汉军呼喊：“有种的过来决战！”一百多名骑兵冲向汉军营地，汉军营地的士兵们都张弓搭箭，瞄准他们，骑兵见状便退了回去。汉军还派了一些吏士向城门的骑兵、步兵射箭，这些骑兵、步兵都退回了城中。甘延寿、陈汤下令：“听到鼓声，就冲向城下，从四面围城，各自守住自己的位置，挖地道，堵塞城门，盾牌兵在前，戟兵和弩兵在后，仰射城楼上的人。”城楼上的人纷纷往下跑；土城外还有一层木城，从木城中射箭，杀伤了不少城外的汉军。城外的汉军就拿柴草去烧木城（孔颖达说：薪，就是樵，大的樵叫薪。《诗经》说：砍伐薪柴该怎么做？没有斧头可不行。因为薪比较大，所以要用斧头 ）。夜里，几百名骑兵想要出城突围，汉军在城外迎击，将他们全部杀死。

起初，郅支单于听说汉军来了，想要逃走，但又怀疑康居王怨恨自己，会与汉军里应外合，又听说乌孙等国的军队也都出动了，自认为无处可去。郅支单于已经出城，又退了回来，说：“不如坚守城池。汉军远道而来，不可能长时间攻打。”于是，郅支单于亲自穿上铠甲，登上城楼，他的多位阏氏、夫人几十人都拿着弓箭射击城外的汉军。城外的汉军射中了郅支单于的鼻子，不少夫人也被射死；郅支单于只好下了城楼。半夜时分，木城被攻破；城中的人退到土城，登上城墙呼喊。当时，康居的一万多骑兵，分成十几处，从四面围城，也与城中的人相互呼应。夜里，他们多次冲向汉军营地，但都没有占到便宜，只好退回去。天刚亮，汉军从四面放火，士兵们士气大振，大声呼喊着发起进攻，钲、鼓的声音震天动地。（《周礼》记载：用金镯来节制鼓声。近代有大铜叠，悬挂起来敲击，用来为鼓点打节奏，叫做钲 ）康居的军队见状，纷纷后退；汉军从四面推着盾牌，一起攻入土城中。郅支单于和一百多名男女逃进内室。汉军放火，士兵们争相冲入，郅支单于受了重伤死去。军候假丞杜勋砍下了郅支单于的首级。（汉代制度，军队出征时设有各部校尉；部下有曲，每曲设一名军候。都护设有副校尉，俸禄为比二千石；还有一名丞，司马、候、千人各两名。杜勋原本是军候，临时兼任丞 ）汉军还缴获了汉朝使者的符节两个，以及谷吉等人携带的帛书；其