第二天，军队继续前进，在距离城池三十里的地方停下扎营。郅支单于派使者来问：“汉军为什么到这里？”汉军回应：“单于上书说‘生活困苦，希望归附强大的汉朝，亲自入朝拜见天子’，天子怜悯单于放弃大国，屈居康居，所以派都护将军来迎接单于的妻子儿女。我们担心惊动单于身边的人，所以没敢到城下。”双方使者多次往来沟通，甘延寿、陈汤趁机责备道：“我们为单于远道而来，到现在却没有一个有名的王或贵族来见将军接受指令，为什么单于如此忽视大事，不懂待客之道呢？我们军队远道而来，人马疲惫不堪，粮草也快用完了，恐怕难以返回，希望单于和大臣们仔细考虑对策。”
第二天，汉军前进到郅支城的都赖水边，在离城三里处扎营布阵。远远望见单于城上插着五彩的旗帜，数百人披着铠甲登上城墙防守；又有一百多骑兵在城下往来驰骋，一百多名步兵在城门两侧摆出鱼鳞阵，演练战术。城上的人还向汉军挑衅：“有种的过来决战！”一百多骑兵冲向汉军营垒，汉军营地立即张开弓弩，拉满弓弦对准他们，骑兵只好退了回去。汉军派部分官兵射击城门的骑兵和步兵，这些人纷纷退回城中。
甘延寿、陈汤下令：“听到鼓声，都逼近城下，从四面包围城池，各自守住自己的位置，挖壕沟，堵塞城门，盾牌兵在前，戟兵和弩兵在后，仰射城楼上的人。”城楼上的敌人纷纷逃下。土城外还有一层木城，木城中的敌人向外射箭，杀伤了不少汉军。汉军就用柴草焚烧木城。夜里，数百骑兵想出城突围，汉军在外面迎击，将他们全部杀死。
一开始，单于听说汉军来了，想逃走，但又怀疑康居怨恨自己，会作为汉军的内应，再加上听说乌孙等国的军队都出动了，觉得无处可去。他已经出城，又返回来说：“不如坚守。汉军远道而来，不可能长期攻打。”于是单于披上铠甲登上城楼，他的多位阏氏、夫人等几十人，都用弓箭射击城外的汉军。汉军射中单于的鼻子，单于的夫人也死了不少，单于只好下城。
半夜过后，木城被攻破，里面的敌人退入土城，登上城墙高呼。此时，康居的一万多骑兵分成十几处，从四面包围城池，与土城中的敌人相互呼应。夜里，他们多次向汉军营垒发起冲击，都没有占到便宜，只好退去。天快亮时，汉军从四面放火，官兵们士气大振，大声呼喊着发起进攻，战鼓和铜锣声震天动地。康居的军队见状纷纷后退，汉军推着盾牌，从四面攻入土城。单于和一百多名男女逃入内室，汉军放火，官兵们争相冲入，单于受伤而死。军候假丞杜勋砍下单于的首级，还找到了两枚汉朝使者的符节，以及谷吉等人携带的帛书。战斗中缴获的物品，都归缴获者所有。此次战役，汉军共斩杀阏氏、太子、名王以下一千五百一十八人，活捉一百四十五人，收降一千多人，并将这些俘虏分给了参与行动的西域十五个国家的军队。
建昭四年（丙戌，公元前35年）
春天正月，郅支单于的首级被送到京城。甘延寿、陈汤上奏说：“我们听说天下的大义，在于四海统一。从前有唐尧、虞舜，如今有强大的汉朝。匈奴呼韩邪单于已经称臣，成为北方的藩属，只有郅支单于叛逆，还没有伏法，他以为在大夏西边，强大的汉朝就不能让他臣服。郅支单于对百姓残忍狠毒，罪恶滔天。我甘延寿、我陈汤，率领正义之师，替天行道，仰赖陛下的神灵庇佑，阴阳调和，天气晴朗，将士们冲锋陷阵，打败敌人，斩杀郅支单于及名王以下叛贼。应该把他的首级悬挂在槀街蛮夷聚居的地方，让万里之外的人都知道，胆敢侵犯强大汉朝的，即便逃得再远，也必定会被诛杀！”
丞相匡衡等人认为：“现在正值春天，是掩埋尸骨的时候，不宜悬挂首级。”皇帝下诏让首级悬挂十天后再掩埋，还下令祭告祖庙，大赦天下。群臣向皇帝祝贺，朝廷摆下酒宴庆祝。
建昭四年（公元前34年）
六月甲申日，中山哀王刘竟去世。刘竟是汉元帝的幼弟，自幼和太子一起学习、游玩，两人年龄相仿 。刘竟死后，太子前往吊唁。元帝远远望见太子，想起去世的幼弟，悲伤得难以自制。可太子走到跟前，脸上却看不出哀伤的神情。元帝非常失望，生气地说：“哪有人如此不仁慈，这样的人怎么能继承宗庙，做百姓的父母呢！”
当时，驸马都尉、侍中史丹负责护卫太子家，元帝就责怪他。史丹赶紧摘下帽子谢罪说：“我看到陛下为中山王的去世悲痛不已，甚至损害了身体。之前太子前来拜见时，我私下叮嘱他，不要流泪，免得让陛下更加伤心。这都是我的过错，罪该万死！”元帝信以为真，气也消了。
这期间，蓝田发生地震，山体崩塌，堵塞了灞水；安陵岸边崩塌，堵塞了泾水，导致泾水倒流。
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