陈汤听了，心里有了底。他和甘延寿商议，决定先派一支小部队去试探一下郅支城的防御，同时麻痹郅支，让他以为汉军只是小股部队，放松警惕。果然，郅支见汉军只有几百人来攻城，便没放在心上，还亲自登上城头指挥作战。可他没想到，这只是陈汤的诱敌之计。
第二天一早，陈汤和甘延寿下令，四万大军全部出动，将郅支城团团围住。陈汤站在阵前，亲自擂鼓助威，大喊道：“将士们！郅支杀我汉使，辱我汉朝，今日便是我们为汉使报仇，扬我汉威的时候！谁能第一个登上郅支城，赏金封侯！”
士兵们听了，士气大振，纷纷呐喊着冲向郅支城。汉军的弓箭手先是对着城头一阵猛射，箭如雨下，城上的匈奴士兵纷纷中箭倒地；接着，汉军的盾牌手冲到护城河前，用木板和沙袋填平了护城河，后续的士兵拿着长戟和云梯，开始攻城。
郅支城的匈奴士兵也不是吃素的，他们在城上往下扔滚木礌石，还用火把点燃了汉军的云梯，不少汉军士兵都被砸伤、烧伤。可汉军士兵却毫无惧色，前赴后继地往上冲。西域联军也不甘落后，乌孙的骑兵绕到郅支城的侧翼，发起猛攻；康居的士兵则负责攻打外城的城门，试图从城门突破。
双方激战了整整一天，到了傍晚的时候，汉军终于攻破了郅支城的外城。郅支见外城失守，慌了神，连忙下令把所有兵力都集中到内城，死守内城。陈汤见外城已破，便下令暂停攻城，让士兵们休息一晚，第二天再攻内城。
当天晚上，郅支想趁着夜色突围，他亲自带着几百名精锐骑兵，从内城的西门冲了出来。可陈汤早就料到他会突围，提前在西门外埋伏了重兵。郅支的骑兵刚冲出来，就被汉军的弓箭手包围了，一阵箭雨过后，郅支的骑兵死伤大半，郅支本人也被一箭射伤了肩膀，只能狼狈地退回内城。
第二天一早，陈汤下令发起总攻。汉军和西域联军从四面八方冲向内城，内城的匈奴士兵虽然拼死抵抗，可终究寡不敌众。没过多久，内城的城门就被汉军攻破了，士兵们蜂拥而入，与匈奴士兵展开了巷战。
郅支见大势已去，便带着自己的妻妾和亲信，躲进了内城的宫殿里。汉军士兵很快就包围了宫殿，大喊着让郅支投降。可郅支宁死不降，还拿起弓箭，射杀了几名汉军士兵。陈汤见状，大怒，下令士兵们放火烧宫。
宫殿很快就被大火包围，郅支的妻妾们纷纷哀嚎着四处逃窜，不少人被烧死在宫里。郅支本人也在混乱中被一名汉军士兵斩杀，首级被砍了下来，送到了陈汤面前。陈汤看着郅支的首级，长出了一口气，对甘延寿道：“将军，我们成功了！郅支已死，汉使的仇报了，西域的隐患也除了！”
甘延寿看着郅支的首级，也是激动得热泪盈眶，他握住陈汤的手，道：“子公，若不是你力排众议，果断出兵，我们也不会有今日之功啊！”
随后，陈汤下令清点战果：此战共斩杀郅支单于及其手下名王以下一千五百一十八人，生擒一百四十五人，投降的匈奴士兵有一千多人。汉军还从郅支的宫殿里搜出了当年谷吉等汉使的节杖和印信，证明了郅支杀汉使的罪行。
陈汤让人把郅支的首级装在木匣里，派使者快马送往长安，同时附上了一封奏疏。这封奏疏里，就有那句流传千古的豪言：“臣闻天下之天下，当混为一。匈奴呼韩邪单于已称北藩，唯郅支单于叛逆，未伏其辜，大夏之西，以为强汉不能臣也。郅支单于惨毒行于民，大恶逼于天。臣延寿、臣汤将义兵，行天诛，赖陛下神灵，阴阳并应，天气精明，陷陈克敌，斩郅支首及名王以下。宜县头槁街蛮夷邸间，以示万里，明犯强汉者，虽远必诛！”
这段话的意思是说：如今的天下，就是要统一。匈奴呼韩邪单于已经归附汉朝，只有郅支单于叛逆不服，还以为汉朝不能制服他。郅支单于残暴对待百姓，罪恶滔天。我甘延寿、陈汤率领正义之师，替天行道，依靠陛下的神灵保佑，终于攻克敌人，斩杀了郅支单于及其手下。应该把郅支的首级挂在长安槁街（汉朝专门安置外国使节的地方）的蛮夷邸之间，让天下人都知道，凡是敢侵犯强大汉朝的人，就算跑得再远，也一定会被诛杀！
使者带着郅支的首级和陈汤的奏疏，日夜兼程地赶往长安。消息传到长安，元帝和大臣们都惊呆了，他们没想到陈汤和甘延寿真的能斩杀郅支，而且还打得这么漂亮。元帝拿着陈汤的奏疏，读到“明犯强汉者，虽远必诛”这句话时，更是激动得拍案叫好，道：“好一个陈汤！好一句‘明犯强汉者，虽远必诛’！这才是我大汉的将军！”
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可那些大臣们，对此事却有不同意见。石显、匡衡等大臣，早就看陈汤不顺眼，他们觉得陈汤“矫诏”出兵，是目无君上，虽然立了功，但