陳湯這個人，沉着勇敢，深思遠慮，腦筋裡滿是謀略，渴望建立突破性功勳，跟甘延壽商議說：郅支單于性情剽悍，喜好戰争，而又不斷取得勝利。日子一久，勢将成為西域的災難。雖然他現在距我們路途遙遠，幸而他們沒有堅固的城堡跟堅強的弓箭，無法固守。我們如果征調屯墾的武裝部隊跟烏孫王國的國防軍，挺進到他新築的城堡（單于城）之下，他要逃沒有地方可逃，要守則守不住。千載難逢的功業，可以在一天早上完成。
甘延壽認為有理，準備先行奏請中央準許。陳湯說：“皇上一定會召集進階官員磋商，對于遠大的政策，不是平凡的官僚所能了解，準不同意。”甘延壽遲疑，不敢決定。正好，不久，甘延壽（時在西域總督府所在烏壘城〔新疆輪台縣東北〕）卧病在床，一時不能痊愈。陳湯單獨行動，假傳聖旨，征調各國武裝部隊跟車師國（新疆吐魯番市）屯墾兵團的戊、己指揮官（駐車師國）。甘延壽大驚失色，從床上爬起來，要加阻止。陳湯怒發沖冠，手按劍柄，厲聲警告說：“大軍已發，你這小子是不是打算破壞大計？”甘延壽隻好順從。
于是，開始部署，集結漢朝及外國兵力，共有四萬餘人。甘延壽、陳湯，上奏章自我彈劾假傳聖旨之罪，陳述是以如此做的理由。發出奏章的同天，大軍出發，分成六路縱隊攻向匈奴王城。
甘延壽、陳湯下總攻擊令：“聽到鼓聲，直撲城下，四面包圍，各機關記住所配置設定的位置，開鑿洞穴，堵塞射擊孔。盾牌在前，保護強弓部隊，強弓部隊負責射殺城樓守軍。”攻擊開始，城樓上的匈奴守軍不能立足，潰散。
郅支單于不能支援，率領一百餘名匈奴戰士，退入皇宮。漢朝遠征軍縱火焚燒皇宮，戰士争先沖入。郅支單于身負重傷，氣絕而死。遠征軍部隊長、指揮部副秘書（軍候假丞）杜勳，砍下郅支單于的人頭。在皇宮中搜出漢朝皇帝的符節兩個跟谷吉等所帶的書信。接着是大屠殺，計斬皇後、太子、名王以下一千五百一十八人，生擒一百四十五人，投降的一千餘人。凡是搶掠的金銀财寶，都歸搶掠者所有。其他生擒的或投降的匈奴人以及财産，配置設定給參加遠征軍的十五個王國的國王。
陳湯，上疏皇帝，挂匈奴單于頭顱于長安槁街各外國飯店之間，使傳播萬裡之外，昭示天下：犯我強漢者，雖遠必誅！
