延寿陈汤，集合胡汉兵马，合计有四万余人。
集合军队的同时，延寿陈汤又上疏自劾矫制之事，并陈言兵状。即日引兵分行。分别为六校。其中三校从南道越过葱岭，径奔大宛。其余三校都护自将，从温宿国出发，自北道入赤谷。经过乌孙，进入康居界。至滇池西。而康居副王抱滇将数千骑寇赤谷城东。杀掠大昆弥千余人，抢夺畜产甚多。从后面与汉军相遇，竟然寇盗汉军后面的辎重，陈汤纵胡兵攻击他们。杀四百六十人，得其所略民众四百七十人。还付大昆弥。其马牛羊留下以充军食。又捕得抱滇贵人伊奴毒，入康居东界，令众军不得为寇。暗地里令人叫康居贵人屠墨来见。谕以威信，与他饮盟遣去。径直引军前行。至离单于城大约六十里的地方止住扎营。复捕得康居贵人具色子，以他为向导。具色子是屠墨的舅舅，都怨恨单于。于是尽知郅支单于的情状，明日，引军行，离城三十里止营。单于遣使者问汉兵为什么到来，回应说：单于上书说居处困顿，愿归计强汉。身入朝见。天子哀悯单于弃大国之威，屈意于康居。因此使都护将军前来迎接单于妻子。
汉军恐怕左右惊动，因此未敢至城下。派使者数次往来相答报。延寿陈汤因此责让单于。我为单于远来，而至今竟没有名王大人来见将军计事。单于为什么忽然失了大计，失了客主之礼呢？我们兵来道远，人畜都疲惫至极，而且粮食将尽，恐怕不能自己回去了。希望单于与诸大臣赶快拿出办法来。
第二天，引军前至郅支城前赖水上，离城三里，止营布阵。望见单于城上立五彩旗帜。数百人背甲守城，又出动百余骑在城下往来驰骋，步兵百余人夹门摆成鱼鳞阵。讲习用兵。城上更有人招手对汉军说：来和我决斗啊。城下百余骑飞驰至汉营，想要冲营。营中军士，皆张弓持满，指着他们，骑兵只好引退。汉营却遣吏士箭射城门骑步兵。骑步兵皆入城。延寿陈汤令军中闻皷音，皆冲至城下。四面围城。各有所守。穿墙塞门户，盾牌在前，戟弩随后。仰射城楼上的人。城楼上的人就走到下面的木制城楼去了。木制城楼在土城墙外，从木城中向外射箭，颇杀伤汉军。汉军就多准备薪柴，火烧木城。
至夜，有数百骑欲冲出，汉军迎击，将他们悉数射杀。
起初，单于听说汉兵至，准备逃走。怀疑康居怨恨自己。为汉军的内应。又听说乌孙诸国兵皆发，自以无处可去，已出复还，以为不如坚守，汉兵远来，不能久攻。于是单于背甲上楼，诸夫人阏氏数十人，皆张弓射汉军。汉兵射中单于鼻，诸夫人大都被射死。单于于是下楼走。
夜过半，木城被打穿，木城中人欲入土城，站在城墙高呼。当时康居兵有万余骑，分为十余处，四面环城，也与他们相应和。趁夜数次奔营不利退却，平明时四面火起，汉军吏士大喜，大呼冲击，鉦鼓声震地。康居兵引退。汉兵四面推卤盾，攻入土城中。单于男女百余人走入大内，汉兵纵火，吏士争入，单于被创死。军候假丞杜勋，斩单于首。得到两个汉的使节，及谷吉等所携带的帛书。计斩阏氏太子明王以下官员一千五百一十八级。生虏一百四十五人，降虏千余人。将这些俘虏分送给协助出兵的诸国十五王。
四年春正月，郅支之首传送京师。延寿陈汤上疏说：臣闻天下之大义，应当混为一统。昔有唐虞，今有强汉。匈奴呼韩邪单于已称北藩，只有郅支单于叛逆。未伏其辜。自以在大夏之西，强汉不能使他臣服。郅支单于惨毒行于民，大恶通于天。臣延寿臣陈汤将义兵，行天诛。赖陛下神灵，阴阳并应。天气精明，陷阵克敌，斩郅支首及名王以下，宜悬首城门，以警蛮夷。明示天下，明犯强汉者，虽远必诛。
丞相匡衡等以为，正当春天，是掩埋骨骼的时候，不应该悬首。诏令悬十日，然后埋之。于是告祠郊庙，赦天下。群臣上寿置酒。
六月甲申，中山哀王刘竞薨。哀王，是皇上的少弟。与太子一道游学长大。及薨，太子前来吊唁。皇上王建太子，感念哀王，悲不自胜。太子既至前无哀容，皇上大恨说：哪里有人自己不仁慈，却能够奉宗庙为民父母的？当时驸马都尉侍中史丹护太子家，皇上以责备的口气告诉史丹。史丹免冠谢罪说：实在是臣见陛下哀痛中山王，以至于精神减损，太子觐见的时候，是臣嘱咐他不要涕泣，以免感伤陛下，此罪在臣，臣当万死。
皇上以为确实如此，也就不再介意。
蓝田地震山崩。壅塞灞水。安陵岸崩，壅塞泾水，泾水逆流。
五年春三月，赦天下。
夏六月庚申，复戾园。壬申晦，有日食。
秋七月庚子，复太上皇寝庙园原庙，昭灵后武哀王昭哀后卫思后园。当时皇上寝疾，久不能平，以为是祖宗谴怒，因此才复修这些园陵。只有郡国庙从此废去。是岁徙济阳王刘康为山阳王。
匈奴呼韩邪单于闻郅支单于诛灭，且喜且惧。上书愿入朝见。
竟宁元年春正月，匈奴呼韩邪单于来朝。自言愿为汉室的女婿以自亲。皇上将后宫良家子王嫱，字昭君的宫女，赐给单于，单于欢喜，上书愿保塞，自上谷以西至敦煌使传之无穷。请求罢边备守塞吏卒以休天子人民。天子下有司定议，议者皆以为便。郎中侯应习边事，以为不可许。天子问状。侯应说：周秦以来，匈奴暴