“另外三個校尉則由他們自己率領，從溫宿國出發，從北路入赤谷，過烏孫，進入康居國境內。”
李白：康居國副王率領數千騎兵入侵赤谷城東，殺害、掠奪了烏孫大首領的千余眾，
搶走了很多牲畜和財物，又與漢軍后續部隊遭遇，搶走了不少輜重。
陳湯立即出動西域諸國軍隊襲擊他們，斬首四百六十人，搶回被擄走部民四百七十人交還給大昆彌，所得馬、牛、羊充作軍資，還俘虜了抱闐貴族伊奴毒。
待進入康居東界后，陳湯下令軍隊不得擄掠。
他沿途秘密招見康居貴族屠墨，向他展示漢軍軍威和信譽，并與他飲酒立誓訂立盟約。
陳湯并沒有直接率軍到郅支單于城下，而是在離城六十里處安營扎寨，又捕獲了康居貴族貝色子的兒子開牟，并讓其做向導帶路。
貝色子為屠墨母親的弟弟，他們都怨恨郅支單于，于是向漢軍介紹了郅支單于的情況。
次日，陳湯他們進軍至單于城三十里處扎營。
單于遣使詢問漢軍此行的目的，漢軍告訴他，單于曾向漢朝上書愿意歸附并入朝拜見漢朝皇帝，
皇帝憐憫單于離開大國故地屈居在康居國，便讓都護將軍來迎接單于，害怕驚擾單于，便沒有讓進軍到單于城下。
這樣往返數次傳達情況，甘延壽和陳湯責怪使者，我們遠道來迎接單于，
但至今沒有人來拜見將軍商議正事，單于怎么能忽略大事丟掉了賓主的禮儀呢，
如今我們糧草將用盡無法返回，請單于與大臣商議出一個辦法。
第二天，大軍直達單于城下，在距城三里處安營布陣觀察情況。
只見城頭彩旗飄揚，數百名披甲士兵登高戒備，還有百余名騎兵在城下馳騁，
百余名步兵在城門兩側結魚鱗陣，城上之人還挑逗漢軍來戰，有百余名騎兵沖向漢軍營地，
被漢軍以弓弩逼退，隨后又以弓弩射向城門口的騎步兵，他們退入城中。
甘延壽與陳湯命令部隊聽到進軍的鼓聲就沖到城下將城包圍，各部隊嚴守自己的位置。
然后穿過塹壕，堵住城門，鹵盾兵在前，戟弩兵在后，用弓箭仰射城上守軍，守軍不敵撤下城去。
匈奴土城外還有一重用木頭修建的城池工事，射手躲在里面向外射擊，給漢軍的進攻部隊造成較大傷亡，被漢軍用火焚毀。
夜間，城內有幾百騎兵向外沖殺，被漢軍迎面射殺。
最初，郅支單于聽到漢軍來時，想要逃跑，但擔心康居人對他懷恨在心，
可能會做漢軍內應，又得知烏孫等國也派兵參戰，便覺無路可走。
已逃走的郅支單于又返回城內，認為不如據城堅守，漢軍遠來必不可久攻，
他披甲親自守在城上，他的數十個閼氏夫人也持弓箭參戰。
“后郅支單于鼻子中箭，妻妾也傷亡慘重，于是他跑下城樓，騎馬逃回內室。””
“半夜時，木城被攻破，漢軍趁機沖上土城頭大聲高呼。”
“當時萬余名康居騎兵分十余處，在城外包圍漢軍攻城部隊，并與城內守軍相呼應。”
“康居軍隊還稱夜向攻城部隊發起多起攻擊，但均被擊退。”
“次日清晨，城內四面起火，漢軍將士大喜，乘勢追擊敵軍，戰鼓聲驚天動地。”
“待康居軍退走之后，漢軍用大盾掩護攻城，突入土城之中。”
“單于和妻妾隨從百余人逃入內室，漢軍縱火焚燒，爭向沖入內室，單于受傷而死。”
“軍侯假丞杜勛斬下單于的首級，救出了兩名被郅支單于扣押的漢朝使節，繳獲了遇害使節谷吉所帶的文書信件。”
“此戰共斬殺閼氏、太子和名王以下一千五百一十八人，活捉一百四十五人，投降的千余人分給了參戰的西域諸國國王。”
“戰后甘延壽、陳湯上疏，郅支單于已經被斬殺，應將其首級高懸示眾。””