名远扬，侵凌乌孙、大宛，常为康居出谋划策，想降服此二国。如果让他得到乌孙、大宛，几年之内，有城郭的西域各国就危险了。况且郅支剽悍好战，屡次取胜，让他长期盘踞，必成西域大患。虽然他的地方极为偏远，但蛮夷没有坚固城池和强弓劲弩的防守。如果我们征发屯田官兵，再驱使乌孙军队，直指其城下，他逃跑无处可去，守城又难以自保，千载功业可一朝而成！”甘延寿也认为对，想上奏请示。陈汤说：“朝廷与公卿商议，如此重大的策略，不是普通人能理解的，事情必定不被批准。”甘延寿犹豫不听。恰逢他久病不愈，陈汤便独自假传皇帝命令，征调西域各城邦的军队和车师戊己校尉属下的屯田官兵。甘延寿听说后，大惊而起，想阻止。陈汤大怒，手按剑柄呵斥甘延寿道：“大军已经集合，你小子想扰乱军心吗！”甘延寿于是服从。部署行军队列，汉兵及胡兵合计四万余人。甘延寿、陈汤上书自我弹劾假传命令之罪，同时陈述了军队部署情况，当天便率军分道出发，分为六校：其中三校走南道，越过葱岭，取道大宛；另外三校由都护甘延寿亲自率领，从温宿国出发，走北道，经赤谷城，过乌孙，进入康居国境，到达阗池西面。这时康居副王抱阗率领数千骑兵，侵掠赤谷城东面，杀害和掳掠大昆弥（乌孙王）部下千余人，抢走牲畜财物甚多。随后抱阗军从后面追上汉军，抢夺汉军辎重。陈汤命胡兵出击，杀敌四百六十人，夺回被掳掠的乌孙百姓四百七十人，交还大昆弥，夺回的马牛羊则用作军粮。又擒获抱阗手下的贵族伊奴毒。进入康居东界后，命令军队不得抢掠。并暗中召见康居贵人屠墨，向他宣示威信，与他饮酒结盟后，送他回去。大军径直前行，在离单于城约六十里处扎营。又捉到康居贵人贝色的儿子开牟（一作具色子男开牟）作为向导。开牟是屠墨的舅舅，他们都怨恨郅支单于，因此汉军得以详细了解郅支的情况。次日，大军前进，在离城三十里处扎营。
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郅支单于派使者来问：“汉兵为何而来？”汉军答道：“单于您曾上书说处境困窘，愿意归附强大的汉朝，亲身入朝觐见。天子怜悯单于放弃大国（匈奴）的尊严，屈居康居，所以派都护将军来迎接单于的妻子儿女。恐怕惊动您的左右，所以没有直接到城下。”双方使者多次往来传话。甘延寿、陈汤趁机责备道：“我们为单于远道而来，至今没有名王、显贵来见将军接受命令（指接洽），为何单于忽视大事，失去主人待客之礼！军队远道而来，人困马乏，粮草将尽，恐怕无法自行返回，希望单于与大臣们仔细商议对策。”
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次日：汉军前进到郅支城（单于城）所在的都赖水边，离城三里，扎营布阵。望见单于城上竖立五彩旗帜，数百人身披铠甲在城上守卫；又派百余骑兵在城下来往奔驰，百余步兵在城门两侧排成鱼鳞阵（鱼鳞陈），操演演习。城上守军还向汉军挑战呼喊：“来打啊！”百余骑兵冲向汉营，汉营将士张满弓弩指向他们，骑兵便退却了。汉军派弓箭手射击城门外的骑兵、步兵，骑兵、步兵都退入城内。
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甘延寿、陈汤下令军队：“听到鼓声，都逼近城下，四面围城，各有分工，挖掘壕沟，堵塞城门，盾牌在前，戟弩在后，仰射城楼上的敌人。”城楼上的人退下。土城外还有一层木城，匈奴人从木城中射箭，杀伤了一些汉军。汉军放火烧木城。夜晚，数百匈奴骑兵想突围，汉军迎射，将他们杀死。
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起初，郅支单于听说汉兵到来：想逃走，怀疑康居怨恨自己，会做汉军内应；又听说乌孙等国都派了兵，自感无处可逃。已经出城，又返回，说：“不如坚守。汉兵远来，不能久攻。”单于于是披甲在城楼上，他的数十位阏氏（妻妾）夫人都用弓箭射城外人。城外人射箭，射中了单于的鼻子，夫人们多有死伤；单于才下城楼。半夜过后，木城被攻破，匈奴人退入土城，登上城墙呐喊。这时康居的一万余骑兵，分为十余处，在四面环绕城池，也与城内守军互相呼应
