第二天，我軍又在離城三十裏處紮營。
郅支單於偵察我漢軍開來，急派使者入我大漢軍營，詢問大軍開赴康居的原因。
陳湯害怕大軍來到時，驚走郅支單於。
於是，他欺騙郅支單於使者說：‘先前，單於上書，表示願意歸附我朝，入朝稱臣。我皇大喜。我皇體諒單於放棄曆代祖先居住的單於土地，屈居康居王國，實在委屈得很！所以，派我率軍前來迎接單於回去。臣擔心驚動單於的聖駕，所以隻在城外紮營，不敢招惹單於生氣。請單於不要多慮！’
其後，雙方使節往來數次，各自探聽虛實，郅支單於遂信以為真。
不久，都護甘延壽，陳湯特意召見匈奴使節，故意責備道：‘我大軍不遠千裏而來，隻為迎接單於而國，至今卻未見單於肯定的答複，不知單於是何道理？我軍遠道而來，人馬疲乏，糧草不濟。眼看軍需輜重就將耗盡，恐怕無法返回朝廷複命。請單於和貴臣們速做決定！’
當初，郅支單於聞聽漢軍大軍到來，就想撤離，逃之夭夭。
聽了陳湯此時的話語，他更加堅信漢軍無法長久堅持。
於是，他決心借助歸降自己的羅馬兵團士卒構築的城池，頑抗到底。
晚上，陳湯又率領大軍悄悄向前挺進，駐紮在單於城外三裏。郅支單於聞聽漢軍逼近，也加緊戒備。他命令數百精銳士卒守衛城頭，數百騎兵在城下往來巡邏監視。
第二天天亮，郅支單於眼見漢軍源源不斷開來，兵強馬壯，人馬眾多，才萌生恐懼，有了後悔之意，但已經悔之晚矣。
於是，他隻得硬著頭皮向漢軍挑戰，命令騎兵首先向漢軍軍營衝擊。
眼見匈奴發動攻擊，總督甘延壽，副指揮官陳湯立即發布作戰命令，布好陣勢，發動對郅支單於的迎擊。
於是，漢軍萬箭齊發，射擊挑戰的匈奴騎兵。匈奴騎兵，很快損失殆盡。
接著，陳湯命令軍隊四麵圍城，射擊守衛城門的匈奴騎步兵。
漢軍箭如雨下，匈奴騎步兵無法抵禦，隻得退回城中拚命守衛。
起初，單於聽說我軍到來的消息，就打算早早逃離。
可是，他後來想到四周都是自己造成的敵人，而如今自己的城池又被漢軍聯軍包圍，無路可去。他自認為漢軍遠來征戰，必然後勤供應不上，不久就會輜重糧草不濟。
於是，他決意堅守城池，並向自己的盟友求救，拚死狙擊，以待援軍。
陳湯指揮聯軍四麵攻城，攻勢十分猛烈。
入夜，郅支單於派出數百精銳騎兵，意圖再次偷襲漢營，但均被聯軍射死。
當我軍攻城激烈之時，郅支單於全身披掛，親自在城樓上指揮戰鬥。就連他的皇後，夫人，美女等數十人，也用強弓對我軍發動反擊。
後來，戰鬥進行到決戰之時，我軍強弓部隊的神箭手，一箭射中在城樓上指揮作戰的郅支單於的鼻子，而郅支單於的皇後，夫人等也紛紛戰死。
於是，郅支單於再也無法支持。他渾身是血，逃下城樓，去救治自己的傷病。
午夜時分，我軍攻破匈奴城池的外城，並逐步推動防箭的鹵盾，攻入內城。蠻漢聯軍在城中四麵放火，用火攻擊守衛的敵軍。
淩晨時分，匈奴的城池盡毀，我軍勝利在望。
不想，匈奴盟國康居王國的援軍一萬餘人急急趕到，對我兵團實施反包圍。我軍形勢十分危急。
然而，我軍戰士，麵對敵人，並不畏懼。敵人的來援，反而激發了將士們們必勝的信念。他們作戰反而更加驍勇，殺聲震天，康居援軍不敢深入，隻好後撤。
這時，郅支單於再也無法支持。他隻得率領百餘勇士，退入自己的皇宮，負隅頑抗。
我軍奮勇追擊，火燒皇宮。皇宮火焰滔天，籠罩在煙火之中。
最後，郅支單於重傷發作，氣絕而死。敵人群龍無首，立即崩潰。
我軍大獲全勝。斬殺匈奴閼氏，名王以下150人，俘虜千餘人。
總督甘延壽，副指揮官陳湯斬下郅支單於的人頭，送到京師報命。
聞聽大軍在萬裏之外建立殊勳，穩定了西域局勢，保證了西域諸國的安定，我皇龍顏大喜，下旨赦免陳湯等矯詔欺君之罪，並給予將士們應得的獎勵。朝廷上下，一片歡騰。