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陈汤见甘延寿终于答应出兵讨伐匈奴人，不禁大喜，忙向甘延寿深深一揖，说道：“遵命。感谢校尉大人深明大义，在下甚是钦佩，方才冒犯之处还望将军宽宥，我军此次出征定能打败郅支单于，给匈奴人一个永生难忘的教训，至于其他也顾不得了，便任凭圣上裁决罢！”
于是，甘延寿一面向朝廷派出信使禀报边境军情，自责犯下假传圣旨，擅自用兵之罪，表示甘愿接受朝廷责罚，一面抓紧训练军队，与陈汤制定开展军事行动的具体方案。
汉元帝建昭三年(公元前36年)冬季，按照事先商定的作战计划，都护府校尉甘延寿与副校尉陈汤各领一军，带着载有大量饮水、粮草和物资的驼队和马车，分为南北两路自乌垒城（今新疆巴音郭楞轮台县）出征，向西北方向的康居国进发。
陈汤率领南路军走疏勒（今新疆喀什地区），穿越高耸的葱岭（帕米尔高原）首先到达大宛与大宛国的军队合兵一处，然后继续向北方的康居进军。甘延寿则率北路军经温宿（今新疆阿克苏地区）抵达乌孙国赤谷城，然后向西进入康居国（今新疆北面中亚地区），南北两军将士长途跋涉近五千里，沿途击溃匈奴人的小股抢劫部队，终于按约定在康居国境内会师。
一路上，甘延寿与陈汤严令汉军不得骚扰当地居民，得到了沿途百姓的赞扬和拥护，他们纷纷向汉军提供有关匈奴人的情报，使得汉军详细掌握了郅支单于的情况，部队在距离郅支城三十里处休整部署之后，甘延寿下令汉军向郅支单于的王城发起进攻。
郅支单于见远在数千里之外的汉军竟突然出现在眼前，不禁大吃一惊，急忙带领匈奴士兵据城抵抗，命士兵放箭阻止汉军攻城。郅支单于以为王城防守严密，汉军无法攻克，便让士兵在城头上高声叫骂，发起挑衅。
陈汤见状，下令汉军按照演练的阵法分成三队，一队持盾牌在前面遮挡匈奴人的箭矢，二队弓箭手在盾牌掩护下向城上的匈奴士兵密集放箭，第三队士兵在弓箭手后面，手持长矛随时准备攻城。
匈奴人的弓箭威力远不及汉军的弓弩强劲有力，守城的匈奴士兵纷纷中箭跌落城下，郅支单于见无法抵挡汉军进攻，便率领亲兵退进土城王宫内负隅顽抗。
正在激战中，康居国派出一万余人马前来救援郅支单于，趁着夜色从四面向汉军发动袭击，陈汤沉着冷静，指挥汉军分头迎击，杀退康居部队的进攻。康居人看到汉军作战英勇，斗志高昂，情知不是汉军对手，不敢上前再战，只好在夜幕掩护下逃遁。
天亮之后，汉军再次向郅支城发起进攻，由于长途跋涉，汉军没有携带登城云梯等辎重装备，士兵们急中生智，在箭幕掩护下，冲上前去利用手中盾牌掘土，堆起与城墙平齐的土坡登上城头，与匈奴人短兵相接，杀退匈奴人的反扑，接着使用火攻烧毁了匈奴人的木营寨和宫门冲入王宫，郅支单于拒不投降，汉军士兵蜂拥而上杀了郅支单于。
经过激战，汉军斩杀郅支单于及阏氏、太子、王公等一千五百余人，俘虏一百四十人，余者一千余人看到汉军人人英勇善战，奋不顾身，早已斗志尽失，放弃抵抗向汉军投降，猖獗一时的郅支国就此灭亡。
陈汤命士兵将郅支单于的头颅砍下来装入木盒，并亲笔写信一封，派使者加急送往长安向朝廷报捷，并下令汉军将郅支城夷为平地，完胜而归。
欲知后来之事如何，且看下回分解。
