建昭三年（前36年），新任西域都護甘延壽和副校尉陳湯奉命出使西域。
甘延壽這人很有些本事，少時因善射，又是良家子身份，入羽林軍。從軍后表現(xiàn)優(yōu)秀，拔為郎，后升為遼東太守。在車騎將軍許嘉的舉薦下，升遷為郎中、諫大夫，奉命出使西域都護。盡管甘延壽的職務(wù)是這些出使西域的軍士的最高首領(lǐng)，然而命中注定了他只能做一個配角，因為他的副手是陳湯。
陳湯的仕途遠沒有甘延壽那么順。他少年時喜讀書，善作文，思路開闊，下筆千言猶如江河奔騰。然而因家貧，有時竟靠乞討度日，因此不被鄉(xiāng)親看重。后來流落至長安，得到了向天子獻食的官獻食丞，并結(jié)識了富平侯張勃。張勃看他有些本事，便向元帝舉薦了陳湯。就在等待升遷的時侯，陳湯的父親死了。陳湯為了不失去這一機會，便沒有回家奔喪。于是有人舉報陳湯不守孝道，朝廷認為張勃舉薦不實，削減食邑二百戶，同時將陳湯拘捕入獄。
偏偏就有人看好陳湯。后來又有人向朝廷大力舉薦，陳湯被任命為郎官。陳湯就找機會請求出使。又過了好久，才升遷為西域副校尉。
陳湯為人沉著勇敢，又能深謀遠慮，善策劃謀略而又好大喜功。他很有心計，平常每當路過城鎮(zhèn)或高山大川時，他都會登高遠望，了解地形，認真觀察、記憶，期望成就大事。
這次西域之行，乃是奉命出使，因此兩位漢朝官員只帶了一支護衛(wèi)軍隊。
此時，西域的形勢很不容樂觀。郅支單于已經(jīng)牢牢地控制了康居，又力圖控制大宛、烏孫，并以此為基地，妄圖恢復(fù)匈奴在西域的統(tǒng)治地位。
陳湯了解了西域的形勢，對甘延壽說：“夷狄的天性是恃強凌弱，西域從前就隸屬匈奴，如今郅支單于威名遠揚，經(jīng)常侵略烏孫、大宛，常為康居國出謀劃策，想要降服烏孫、大宛這兩個國家。如果他把大宛、烏孫拿下，就會趁勢北擊伊列（古族名，西漢時活動于今中亞卡拉于達一帶。）、西取安息，南排月氏、烏弋山離（即烏弋山離，西域古城，大約在今阿富汗西部）。幾年之內(nèi)，天山南路就受到威脅了。”
陳湯說：“郅支單于剽悍好戰(zhàn)，多次軍事行動都打了勝仗，如果放任他為所欲為，將來必為西域禍患。郅支城雖然地屬偏遠，卻算不上固若金湯，又沒有精良的守城武器，如果發(fā)動屯田車師的官兵，聯(lián)合烏孫軍隊，出其不意的直攻其城下，郅支單于將會走投無路，又不能守住城池，一定會被我們消滅。那樣，我們就會朝夕之間建立千載之功績?！?/span>
甘延壽同意他的分析和方案，卻不敢超越自己的權(quán)限，想上奏皇帝請求批準作戰(zhàn)計劃。陳湯說：“這件事上奏以后，皇帝一定要和朝臣商量。重大計策非平庸之人所能理解，那些大臣一定不會支持我們的意見?！?/span>甘延壽還是猶豫不決，便借病閉門不出。陳湯見狀，毅然決定撇開甘延壽，假傳皇帝的圣旨，征調(diào)西域十五國兵和漢朝屯田在車師的戊己校尉總計四萬多人，集結(jié)到西域都護府，準備出師康居。
甘延壽聞知此事，大驚，顧不得有病，欲制止此事。
陳湯見此時甘延壽掣肘，大怒，扯劍怒叱甘延壽說：“大軍已集結(jié)完畢，你小子想阻礙這次行動嗎？”甘延壽不敢言聲，只得退而求其次，上書漢廷，說明情況，自劾假傳圣旨之罪。一面兵分兩路，向康居方向進發(fā)。
南路由三校尉率領(lǐng)，從南道翻越蔥嶺，經(jīng)過大宛向西。甘延壽與陳湯親自統(tǒng)領(lǐng)北路，從溫宿國（西域古國。在今新疆烏什一帶）出發(fā)，橫越天山，經(jīng)烏孫國都赤谷城，到達闐池（今中亞伊塞克湖）以西。
此刻，康居國副王報闐率數(shù)千人馬進犯烏孫赤谷城，殺略烏孫大昆彌一千余人馬，滿載而歸，正遇上漢朝與烏孫聯(lián)軍西征，遂尾隨漢軍大隊后面，劫掠漢軍物資。陳湯指揮西域聯(lián)軍及時反擊，奪回敵軍劫掠的物資以及被擄掠的烏孫民眾四百多人，還活捉了報闐手下的大臣伊奴毒。
討伐大軍進入康居?xùn)|境，甘延壽、陳湯下令嚴肅軍紀，不許搶掠百姓。暗中召見怨恨郅支單于的康居貴人屠墨，曉以利害，并與之飲酒結(jié)盟，然后放回去作為內(nèi)應(yīng)。
大軍繼續(xù)前進，途中又俘獲康居大臣貝色的兒子開牟，這個人是屠墨母親的弟弟，對郅支單于也是十分怨恨，因而作了漢軍的向?qū)?，還主動提供許多郅支單于的情報。
討伐大軍直抵距郅支城三十里處扎營。
郅支單于聞?wù)f漢朝大軍來到，心頭掠過一絲惶恐，忙派人詢問漢軍為何來此。甘延壽、陳湯告訴郅支單于的使者說：“單于曾上書朝廷，表示處境困難，愿意歸附漢朝，并說要親自入京朝見天子。天子憐憫單于遠離國土，屈居康居，所以派都護率軍前來迎接單于和家屬?？峙麦@擾百姓，故而沒有進軍城下。”
郅支單于當然不信。那次他自以為擺脫了漢朝的勢力范圍，用一種嘲諷的口氣，狠狠地戲耍了漢朝君臣一下子。沒想到，漢朝軍隊如天兵突降，竟然來到了自己的面前。他知道，自己和漢朝之間的恩怨得有個交代了。于是他幾次三番地派人到漢軍營地探聽虛實。甘延壽、陳湯訓(xùn)斥道：“我們?yōu)榱擞訂斡谶h道而來，直到現(xiàn)在不見名王大人來接受將軍指示。單于為何這么不顧大局，失主客之禮！況且我軍遠道而來，人疲馬乏，糧草也快斷絕了，恐怕是無法自己返回了，還請單于和大臣們商量下一步的辦法。”
第二天，漢軍進抵離郅支單于城只有三里的都賴水（今塔拉斯河）邊，安營扎寨，并布置了嚴密的軍陣。
此時，郅支單于城上已經(jīng)是彩旗獵獵，刀槍林立，數(shù)百名身披重甲的士兵守衛(wèi)于上，一百多騎兵往來城下，更有一百多步兵夾門擺成魚鱗陣，正在講習用兵。（或以為魚鱗陣乃羅馬之陣法也，謂古羅馬一支失蹤軍隊流亡到康居，為康居國所留。此時，康居王又把羅馬士兵借給郅支單于用，后文之重木城亦為羅馬建筑風格。其佐證還有西域的酈盰縣云云。）
城上的守軍更是大聲向漢軍挑釁：“有種的過來！”城下百余敵騎朝漢軍營地直沖過來。
甘延壽令弓箭手一齊向守衛(wèi)城門的敵兵發(fā)射，敵軍紛紛退回城內(nèi)。陳湯、甘延壽見狀，命擊鼓進軍。
戰(zhàn)鼓齊鳴，四萬將士吶喊著逼近郅支城。根據(jù)陳湯的命令，漢軍包圍了郅支城，有的挖掘濠溝，有的攻擊城門，盾牌兵沖在最前邊，槍戟兵緊隨，始終弩矢兵殿后，弓矢像飛蝗般射向城樓上的敵人，城上敵人慌忙下避。
這郅支單于也不是吃素的。郅支城有兩重，內(nèi)城為土城，外圍為木城。木城上的敵軍不停地射箭，漢軍傷亡頗重。
甘延壽、陳湯便下令逼近木城，堆柴焚燒。
這時，天漸漸黑下來，漢軍焚燒木城的大火卻越燒越旺，映紅了郅支城的上空。夜晚，有數(shù)百名騎兵突圍出來，均被漢軍的箭雨射死。
當初，郅支單于聽到漢軍來到的消息，就逃出了郅支城。懷疑康居人怨恨自己，這回怕是給漢軍做了內(nèi)應(yīng)，又聽說烏孫等西域十五國都派兵協(xié)助漢軍圍攻自己，知道自己已無處可逃。又想：漢軍長途跋涉而來，不可能長久圍攻，逃跑還不如堅守。因此又匆忙返回。于是他披戴盔甲，帶領(lǐng)數(shù)十名閼氏、夫人，一齊登上城樓，向漢軍射箭。不料，漢軍的弩矢一陣猛射，不僅諸夫人等死傷大半，連郅支單于的鼻子上也中了一箭。郅支單于急忙下樓騎馬接戰(zhàn)，且戰(zhàn)且退，一直退進內(nèi)宮堅守。半夜過后，木城燒穿，郅支單于的軍隊退入土城，登城呼叫。這時，康居的萬余騎兵趕來增援，分為十幾處，繞城四周，和城墻上嚎叫的敵兵遙相呼應(yīng)，卻無法靠近。
康居的軍隊幾次襲擊漢軍兵營，均遭痛擊。天亮時，郅支城內(nèi)已經(jīng)四面起火，漢軍愈戰(zhàn)愈勇，喊殺聲、戰(zhàn)鼓聲交相呼應(yīng)、震天動地。康居軍隊見回天無力，只得退兵。
漢軍從四面推著大盾牌蜂擁一般攻入土城。郅支單于只剩下男女百余人退入內(nèi)宮，負隅頑抗。漢兵放火燒內(nèi)宮，官兵爭先恐后的殺入內(nèi)宮。
郅支單于在混戰(zhàn)中受傷而死。頭顱被一個叫杜勛的軍侯砍下來。
鏖戰(zhàn)結(jié)束。漢軍從郅支單于的內(nèi)室里搜出他們劫奪的兩枚漢朝使臣所持的符節(jié)和谷吉等人的出使時所帶的文書。
是役，漢軍共計殺死郅支單于的閼氏、太子、名王以下一千五百一十八人，俘虜一百四十五人，投降的敵兵一千余人。俘虜及戰(zhàn)利品大部分賜給參戰(zhàn)的西域各國中的十五個大王。
第二年春天，郅支單于的頭顱被送到京城。甘延壽、陳湯上疏說：“臣聞天下之大義，當是國家統(tǒng)一，昔有唐虞，今有強漢。匈奴呼韓邪單于已稱北藩，唯郅支單于叛逆，尚未負罪，橫行大夏之西，以為強漢不能臣服于他。郅支單于荼毒人民，大惡通天。臣甘延壽、陳湯率義兵，替天行道，賴陛下神靈，陰陽并應(yīng)，陷陣克敵，斬郅支首及名王以下。宜懸郅支之頭顱于蠻夷聚居地，昭示天下，明犯強漢者，雖遠必誅！”
丞相匡衡認為，孟春季節(jié)氣溫回升，正是掩埋尸骨之時，郅支之首不宜懸掛。元帝命令在蠻夷居住之地懸掛十日后再行埋葬。
郅支單于稱霸西域十多年，就這樣魂斷郅支城。他創(chuàng)造了兩項不光彩的匈奴記錄：匈奴第一位在與漢軍戰(zhàn)斗中被擊斃的匈奴單于；匈奴第一位身首異處的單于。
郅支城之戰(zhàn)是西漢與匈奴的最后一戰(zhàn)。至此，與漢朝持敵對態(tài)度的匈奴殘余勢力被徹底清除，為此后漢匈的和平共處奠定了基礎(chǔ)。
