支单于侮辱的康居贵族的亲属，与之结盟，获得了康居内部的内应和郅支城的详细布防情报。
大军抵达都赖水畔，距郅支城三十里扎营。
郅支单于见汉军骤至，大惊失色。
他先是派使者质问：“汉兵为何而来？”
陈汤机智回答：“单于上书说居住困厄，愿意归顺汉朝，亲自入朝。天子可怜单于放弃大国，屈居康居，所以派都护将军来迎接单于。”
先礼后兵，在道义上占据制高点。
次日，汉军推进至城下三里，布阵攻城。
郅支单于亲率数百人出城迎战，不利，退入城中坚守。
郅支城有内外两重木城，防御工事坚固。匈奴人从城上射箭，火力密集。
陈汤命令军队用弓弩还击，并发射火箭焚烧木城。
夜晚，数百匈奴骑兵企图突围，被汉军全部歼灭。
攻城战进入白热化。
郅支单于亲自披甲在城楼督战，他的妻妾们也用弓箭射杀汉军。
陈汤指挥部下，一边用攻城器械猛攻，一边用土壅塞城墙，企图攀爬。
激战中，郅支单于被汉军射中鼻子，受伤退入内城。
半夜，木城被攻破，匈奴守军退守土城。
此时，康居的万余援骑兵抵达，在城外与汉军发生夜战，均被汉军击退。
天明时分，汉军四面纵火，士兵趁势登城，攻入土城。
郅支单于在混战中被杀，头颅被汉军杜勋砍下。
此役，共斩杀阏氏（单于妻妾）、太子、名王以下一千五百一十八人，俘虏一百四十五人，投降者千余人。
北匈奴郅支单于势力被彻底摧毁。
战役结束后，陈汤和甘延寿立即派人将郅支单于的首级快马送至长安，并附上了一封着名的奏疏。
在这封奏疏中，陈汤阐述了出兵的必要性和辉煌战果，并写下了那句流传千古的豪言壮语：
“臣闻天下之大义，当混为一。
昔有唐、虞，今有强汉。
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，大恶通于天。
臣延寿、臣汤将义兵，行天诛，赖陛下神灵，阴阳并应，陷阵克敌，斩郅支首及名王以下。
宜悬头槀街蛮夷邸间，以示万里，明犯强汉者，虽远必诛！”
然而，凯旋的将军等来的不是封赏，而是弹劾。
丞相匡衡、石显等朝中权贵，抓住陈汤“矫制”（假传圣旨）和战时搜刮金银财宝（“盗所收康居财物”）的小辫子，大做文章，认为他“无节”、“不节”，要求治罪。
一场关于“过程正义”与“结果正义”的激烈辩论在朝堂展开。
一方认为，陈汤立下不世之功，应封爵重赏；
另一方认为，其行为是严重违纪，功不抵过。
最终，在刘向等正直大臣的力保下，汉元帝采取了折中方案：赦免其矫制之罪，承认其战功，封甘延寿为义成侯，陈汤为关内侯，食邑各三百户。
但并未给予他们应得的更高封赏。
陈汤的晚年颇为坎坷。
他性格中的缺点（如贪财、言行不谨）使他屡次被人抓住把柄，几度被免官，甚至下狱。
但每当西域有危机，朝廷又不得不起用他，可见其才能之不可或缺。
最终，他死于长安，一生大起大落。
然而，陈汤此战的历史意义，远远超越了他个人的荣辱得失：
1. 彻底解决匈奴边患：郅支单于的覆灭，标志着反汉的北匈奴势力的终结。
南匈奴呼韩邪单于闻讯且喜且惧，彻底臣服，于公元前33年亲往长安朝见，并迎娶王昭君，开启了汉匈之间长达半个多世纪的和
