汉兵毫不怯懦畏惧，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。甘延寿与陈汤，愤不可遏，命兵士纵火烧城，木城遇火，立即蔓延燃烧起来。胡兵抵御不住，多半逃入内城，只有数百精锐骑兵，出去外面拦阻，通通被汉兵射死。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。汉兵在茂盛的草木中为隐蔽，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，正中郅支单于鼻子上，郅支忍痛不住，退入城中。宫人越觉胆怯，自然随下。
汉兵方思援梯登城，突然听闻康居发兵万余，来救郅支，康居王的女儿已经被杀，想必是郅支的女儿得宠康居，故以德报怨。
甘延寿与陈汤，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，被汉兵夹击攻打一阵，好像砍瓜切菜相似，万余兵骑死了八九千，单剩得一二千人，抱头窜去。
甘延寿与陈汤，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。郅支单于携同男女百余人，逃入宫中，汉兵纵火焚宫，阖宫大骇。
郅支单于硬着头皮，拼命出战，怎禁得汉兵拥入，团团围住，一着失手，便被砍倒在地。军侯杜勋，抢前一步，斩了郅支的首级，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，收降匈奴胡兵千余人，搜得汉使节二柄，并之前时谷吉所赍的诏书。此外金帛牲畜等件，悉数搬取，由甘延寿陈汤两位主将，酌量分给，除了赏赐部众，遍及各国随征兵士，全体腾欢。
先是甘延寿与陈汤，矫诏发兵，已经上书自劾，至阵斩杀郅支，复将首级献入长安，请悬诸藁街，威示蛮夷。
藁街是长安之市名，蛮夷使馆，尽在此处，故有是请。石显闻得甘延寿功成，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。匡衡见不从己奏，再与石显密商，一同弹劾甘延寿和陈汤，矫制兴兵，功难抵罪；且陈汤私取财物，应即查办。汉元帝乃令司隶校尉，飞快通知塞上官吏，按验陈汤吏士。陈汤上书自讼，略言臣与吏士，共诛郅支，万里还朝，应有使臣迎劳道路。今闻司隶校尉，反令地方官按验，是为郅支报仇，令臣不解。汉元帝得书，乃收回成命，令沿途县吏，具备酒食，供给西征回来的军士；及全师凯旋，论功行赏。