战鼓声响起，打破了荒凉的效外的平静，顿时杀声震天。远征军将士如潮水般涌向单于城下，密集的箭雨纷纷落在城头上，遗留下一具具匈奴人的尸体。
外城是木城，匈奴人凭借木城上的射箭孔拼命抵抗，给联军的进攻制造了不少麻烦，不过士兵倒在箭下。陈汤命令先锋部队携带木柴，冲到木城下，然在放火。一时间，大火沿着木城墙蔓延开，躲在木城内的不少匈奴兵来不住逃跑，便被大火吞噬了。
外围战一直打到了傍晚，夜幕降临，熊熊火光映亮了天空。
突然，数百名匈奴骑兵从城门杀出，企图借着夜色的掩护，冲开联军的重围。陈汤果断地命令弓弩兵拦截，训练有素的弓弩兵列阵相迎，以一阵箭雨痛击企图突围的匈奴骑兵，匈奴骑兵人仰马翻，侥幸躲过箭雨的匈奴兵，很快被赶过来的联军步兵斩杀，这支数百人的匈奴骑兵分队，全军覆没，无一人漏网。
战事吃紧，郅支单于亲自上阵，身披战甲，登上城楼。有意思的是，单于的夫人小妾们也纷纷来助阵，共有数十个之多，这些匈奴女人好是生猛，竟然个个可以开弓射箭。
联军中有些战士居然被射伤了，弓弩部队的战士们大怒，“嗖嗖嗖――”往城楼上猛射了一通箭，几声惨叫，郅支单于的小妾们被射倒了好几个，郅支单于正在心疼上，冷不防一支箭飞过来，不偏不倚，正好射在郅支单于的鼻子上。郅支忍痛将箭拔出来，顿时血流满面。大势不妙，他赶紧下了城楼，躲到城内去了。
这时双方已经交战好几个时辰了，陈汤意志坚定，一定要一鼓作气拿下单于城。
午夜，熊熊大火已把外城全部烧毁。外城残余的匈奴士兵退守内城，登上土城墙，这些匈奴战士仍然表现非常英勇，还在城墙上高声呐喊，以壮声威。难怪郅支单于以区区数千人的匈奴骑兵为家底，竟然可以称霸一方，其战斗力果然十分了得。
甘延寿、陈汤指挥大军继续进攻内城。突然间，城上的匈奴兵一阵欢呼声，陈汤回首一望，远处无数的火把在暗夜中移动着，原来匈奴人的援兵来了！
这支援兵是听命于郅支单于的康居军队，共有一万多人，康居援军的到来，对匈奴人来说，无疑是一剂镇定剂。康居骑兵挥动着火把，也高声叫喊着，与城上的匈奴兵遥相呼应。
康居骑兵分为十几个小队，从四面八方向联军阵地发起攻击。
甘延寿命令一部分攻城部队撤下来，对付康居骑兵。康居骑兵企图利用夜幕的掩护，冲破远征军的防线，但康居骑兵的战斗力确实不怎么样，接连发起几次攻击，全部被联军击退。康居援军的进攻被扼制住了，而在另一条战线上，攻坚战仍在激烈地进行着。
联军的弓箭手将箭头点燃，射进内城，铺天盖地的火箭使得内城四处着火，火光冲天。内城的匈奴人混乱不堪，此时联军士兵也禁不住激动的心情，也学匈奴人样，高声号叫，这样还不够热闹，把钲鼓声敲得震天响，这下可把来支援匈奴人的康居士兵给吓坏了，康居骑兵看到城内火光冲天，心中暗想：“匈奴人都自身难保了，我们还卖什么命啊？”一溜烟，撤了。
康居援军撤退后，联军攻城力量又加强了，战士们用大盾牌来装土，一盾牌一盾牌的土运到城墙下，堆积起来，很快在城墙边堆起了一个小土坡。
这时天将拂晓，东方已露出熹光。甘延寿下达了总攻令。
联军兵士争先恐后，沿着小土坡奋勇攀上城墙，杀声震天。率先登上城墙上的士兵挥舞军刀长戟，与城墙上的匈奴兵厮杀，而在城墙下的弓箭手也不甘寂寞，仰射墙楼，不少匈奴兵应弦倒地。
登上城墙上的联军士兵越来越多，匈奴兵抵挡不住，纷纷向城内撤退。
此时的郅支单于走投无路，带着妻妾还有百来名士兵，慌慌忙忙地躲进单于宫殿，把大门紧紧地关上。
联军士兵一路杀到单于的住所，见大门紧闭，就放了一把大火，木头门被烧得残破不堪，然后便一拥而入，那一百多名匈奴卫兵拼死抵抗，怎么奈寡不敌众，很快便被联军的士兵砍瓜切菜般地剁为肉酱了。
郅支单于绝望了，想这十几年来，自己战无不胜，攻无不克，没想到今天却是穷途末路。他用袖子一擦鼻子上伤口流出的鲜血，猛吼了一声，拔剑冲出来，与联军拼杀。恁是郅支骁勇无比，双拳尚且难敌四手，何况是面对黑压压的一群战士。几枝长戟一齐捅过来，躲过这枝，躲不过那枝，身上被捅出几个窟窿；长戟刚收，几柄快刀又到，看你如何是铁打的汉子，也挨不起这几刀。
军侯假丞杜勋怎肯将大功让予别人，只见他大步流星，冲上前去，猛喝一声，高高跃起，双手把刀，朝着郅支单于的后颈猛劈下去，顿时身首分家，血喷如注。一代枭雄，赴黄泉路去了。
单于的妻妾、太子、手下的名王等，率领部下负隅顽抗，但终究回天无术，只得随郅支去黄泉相会，共计被联军斩杀一千五百一十八人，活捉一百四十五人，还有一千多人放下武器投降。
这次远离汉帝国万里之外的征战，终于尘埃落定。
陈汤终于实现了他建立奇功伟业的抱负，这次惊天动地的万里远征，将永载入史册，它见证了大汉帝国的伟大与强悍，这次伟大的远征，创造了许多汉帝国战争史之最。
这是距汉帝国本土最远的一次征战。
这是汉匈战争一百六十多年来第一次击杀匈奴单于。
这次大规模的作战没有耗费汉帝国一钱一粮。
这也很可能是汉军惟一一次与罗马军人交锋，如果德效骞的说法正确的话。
这次伟大的胜利，造就了陈汤千古不朽的英名。
同时，陈汤在上皇帝书中，慨然说了一句千古不朽的豪言壮语：“犯强汉者，虽远必诛！”
在上书中，陈汤写道：“臣听说天下大义，莫过于一统。昔有尧舜，今有强汉。匈奴呼韩邪单于已经北面称臣，唯郅支单于叛逆，没有受到严惩，躲在偏远的西部，以为强汉无法使其臣服。郅支单于残酷祸害百姓，罪行滔天。臣甘延寿、陈汤率领义兵，替天行道，诛杀此贼，有赖皇帝陛下神灵相佑，仰仗天时地利，冲锋陷阵，力克敌军，斩下郅支单于与匈奴名王首级，呈献予朝庭。臣以为当将郅支首级悬首蒿街（蒿街为长安居住外国人的地方），以向外国侨民戒示，并向万里之遥的国家庄重申明：犯强汉者，虽远必诛！！！”
“犯强汉者，虽远必诛！”
这是中国历史上的最强音，最豪迈、慷慨、激昂、雄壮的一句话，二千年后，依旧闻之令人热血沸腾，依然铿锵作响、掷地有声。只要一天地球还有人类，地球还有中国，这个不朽之声音将永远回荡――“汉强汉者，虽远必诛！”一个傲然挺立于地球之上的伟大国家，就是有这种凛然不可侵犯的气势。
然而，陈汤的命运却是一波三折。
迎接陈汤与甘延寿归来的，不是鲜花与掌声，而是一群来势汹汹、准备将甘延寿与陈汤捕拿归案的吏士。
这是怎么回事呢？
这里牵扯到朝庭中最有权势的两个人：中书令石显与宰相匡衡。石显是权倾朝野的宦官，因为甘延寿以勇武受到皇帝的宠幸，所以石显想将姐姐嫁给甘延寿，但甘延寿拒绝了，石显便怀恨在心。宰相匡衡是个儒学分子，满脑子迂腐不堪的思想，宣帝刘询曾告戒儿子，不可任用儒学分子，元帝继位后，将父亲的忠告抛到脑后。班固在《汉书》中评价匡衡等一帮儒学分子非常客观地写道：“皆持禄保位，被阿谄之讥，彼以古人之迹见绳，乌能胜其任乎！”
匡衡就是这个一个小儒，看不到陈汤、甘延寿的齐天之功，只看到陈汤擅自矫制出兵，目无君上，罪大恶极。而且在这个时候，陈汤还被抓到一个把柄：私吞了一部分战利品。
这样，一道逮捕令发出了。
陈汤大怒，上书皇帝：“臣与诸吏士共诛灭郅支单于，幸得擒灭，万里振旅，不仅没有使者迎接犒劳，反而要将我等逮捕审查，这岂不是为郅支复仇？”
还好元帝没有昏庸到极点，赶紧撤消逮捕令，命令沿途各郡县以酒食款待甘延寿、陈汤的队伍。
到了京城后，元帝让大臣讨论对甘延寿、陈汤行赏。石显与匡衡又跳出来极力反对，说“甘、陈二人擅自矫制兴师，没有处死就是格外开恩了，如果再加功进爵，恐的以后的使者都会学他们，到时为国家招来很多麻烦，这个风气开不得！”
元帝本来性格软弱，心里颇赞赏陈汤与甘延寿的功业，但又碍于匡衡、石显的反对，所以这事久拖不决。
这时皇亲国戚刘向站出来说话了：“甘延寿、陈汤出生死、入绝域，斩郅支之首，县旌万里之外，扬威昆山之西，扫谷吉之耻，立昭明之功，万夷慑伏，莫不惧震，立千载之功，建万世之安，群臣之勋莫大焉。”
刘向又将甘、陈二人的与李广早征大宛、常惠以乌孙击匈奴、郑吉降伏日逐王相比较，此三人皆在西域建功立业封侯，刘向认为甘延寿、陈汤之过不及李广利，而功绩远胜于常惠、郑吉，所以应该“除过勿治，尊宠爵位，以劝有功。”
最后元帝下定决心，表彰甘延寿、陈汤的功业，在诏书中，元帝称道：“内不烦一夫之役，不开府库之臧，因敌之粮以赡军用，立功万里之外，威震百蛮，名显四海。”下令赐封甘延寿为义成侯，陈汤为关内侯。
到了元帝去世后，成帝刘骜继位（前33年，陈汤万里远征后三年），宰相匡衡又跳了出来，再度弹劾陈汤，称陈汤在西域经营期间，没有以身作则，收了康居国不少贿赂，还跟下属说：“我们在西域做这样的事，朝廷是不会追究的。”
陈汤年少贫困，所以他有一个缺点，就是贪财，这点匡衡并没有冤枉他。朝廷派人调查后，情况属实，陈汤被罢官。
然而后来出了一件离奇的事，陈汤突然跳出来，上书皇帝，说康居国所入质中国的太子，并非是真正的太子，而是个冒牌货。但是朝廷经过证实后，那人的确是康居太子。陈汤为什么突然这样冒冒失失，这确是个谜，也许是失官后日子不好过，想立功一下，结果反而惹祸上身。
陈汤被逮捕入狱，因为诬告，罪行很大，可能面临极刑处死。
但是陈汤的运气不算很坏。
太中大夫谷永上书皇帝，为陈汤辩护。谷永称阐述战将对国家的重要意义，“战克之将，国之爪牙，不可不重也。”然后极力赞扬陈汤在万里远征中所建立的伟大功绩，“报十年之逋诛，雪边吏之宿耻，威震百蛮，武畅四海，汉元以来，征伐方外之将，未尝有也。”最后认为陈汤所陈之言，虽有过失，但非有意为之，“以言事为罪，无赫赫之恶。夫犬马有劳于人，尚加帷盖之报，况国之功臣者哉！”
谷永的这折奏章，可谓是及时雨，将陈汤从地狱之门拉了回来。
成帝刘骜赦免了陈汤的死罪，但是削夺爵位，贬为普通一兵。
到了成帝建始四年（前29年），西域都护段会宗被乌孙军队围困，快马送信到朝廷，请求朝廷出兵相救。因为路途遥远，宰相王商与大将军王凤及众臣商量来商量去，拿不定主意。突然王凤灵光一闪，想起陈汤来了，于是奏报成帝刘骜：“陈汤这个人，足智多谋，又在外国呆了好多年，可以叫他过来问问计策。”
皇帝派人去请陈汤，此时陈汤双臂伤残了，这是远征郅支时，受了风寒而落下的后遗症，手臂不能屈伸，行动很不方便。
成帝刘骜见陈汤这个样子，心中有些怜意，诏令陈汤不必拜见，然后把段会宗的告急书交给陈汤过目，问陈汤有何计策。
陈汤这几年很不得意，所以在皇帝面前故意卖个关子，说：“朝廷文武大臣、将相百卿，个个都是贤材，才高八斗，小臣身残多病，不足以策谋大事。”
成帝呵呵一笑说：“国家现在有急，你还是不要推辞了。”
陈汤这才抬起头，胸有成竹的样子，对皇帝说：“臣以为这件事不必担忧。”
成帝刘骜一听，忙问：“此话怎么说？”
陈汤朗朗地说：“臣在西域多年，颇知西域军队的底细。一个汉兵可以顶五个西域兵，为什么呢，因为西域兵的兵刃朴钝，弓弩不利。不过这些年西域兵的武器有所长进，向汉帝国学了不少技术，即便这样，一个汉兵仍然可以顶三个西域兵。兵法有言，进攻方的兵力，必须要超过防守方的两倍，这样才势均力敌。臣看了段会宗的奏章，认为围困汉军的乌孙军队，并没有超过汉军的两倍，所以乌孙军队根本没有力量攻克段会宗部，所以陛下不必担忧。”
成帝一听，问道：“这么说不必派援军前往了？”
陈汤回答道：“军队如果轻装前进，一天可行军五十里，如果重装前进，一天只可行军三十里。现在从敦煌郡派军队前往，那需要很长的时间。这支部队如果去军事报复是可以，如果是救急的援军，那就没有必要了。”
成帝刘骜见陈汤分析有条有理，心中的石头落地，便问陈汤：“那你估计段会宗几时可以解围呢？”
陈汤对乌孙军军力量心中有数，这支军队，缺乏坚韧的精神，只要几天不能攻克段会宗部，一定会撤军的。于是陈汤非常自信地回答皇帝：“现在已经解围了。”然后掐指一算，说：“不出五天，一定会有捷报。”