陈汤这个人，沉着勇敢，深思远虑，脑筋里满是谋略，渴望建立突破性功勋，跟甘延寿商议说：郅支单于性情剽悍，喜好战争，而又不断取得胜利。日子一久，势将成为西域的灾难。虽然他现在距我们路途遥远，幸而他们没有坚固的城堡跟坚强的弓箭，无法固守。我们如果征调屯垦的武装部队跟乌孙王国的国防军，挺进到他新筑的城堡（单于城）之下，他要逃没有地方可逃，要守则守不住。千载难逢的功业，可以在一天早上完成。
甘延寿认为有理，准备先行奏请中央批准。陈汤说：“皇上一定会召集高级官员磋商，对于远大的策略，不是平凡的官僚所能了解，准不同意。”甘延寿迟疑，不敢决定。正好，不久，甘延寿（时在西域总督府所在乌垒城〔新疆轮台县东北〕）卧病在床，一时不能痊愈。陈汤单独行动，假传圣旨，征调各国武装部队跟车师国（新疆吐鲁番市）屯垦兵团的戊、己指挥官（驻车师国）。甘延寿大惊失色，从床上爬起来，要加阻止。陈汤怒发冲冠，手按剑柄，厉声警告说：“大军已发，你这小子是不是打算破坏大计？”甘延寿只好顺从。
于是，开始部署，集结汉朝及外国兵力，共有四万余人。甘延寿、陈汤，上奏章自我弹劾假传圣旨之罪，陈述所以如此做的理由。发出奏章的同天，大军出发，分成六路纵队攻向匈奴王城。
甘延寿、陈汤下总攻击令：“听到鼓声，直扑城下，四面包围，各单位记住所分配的位置，开凿洞穴，堵塞射击孔。盾牌在前，保护强弓部队，强弓部队负责射杀城楼守军。”攻击开始，城楼上的匈奴守军不能立足，溃散。
郅支单于不能支持，率领一百余名匈奴战士，退入皇宫。汉朝远征军纵火焚烧皇宫，战士争先冲入。郅支单于身负重伤，气绝而死。远征军部队长、指挥部副秘书（军候假丞）杜勋，砍下郅支单于的人头。在皇宫中搜出汉朝皇帝的符节两个跟谷吉等所带的书信。接着是大屠杀，计斩皇后、太子、名王以下一千五百一十八人，生擒一百四十五人，投降的一千余人。凡是抢掠的金银财宝，都归抢掠者所有。其他生擒的或投降的匈奴人以及财产，分配给参加远征军的十五个王国的国王。
陈汤，上疏皇帝，挂匈奴单于头颅于长安槁街各外国宾馆之间，使传播万里之外，昭示天下：犯我强汉者，虽远必诛！
