无奈之下，甘延寿也只好任凭陈汤调遣了，随军出征。此次汉军共分为六个编队，兵分两路。甘延寿率三个编队由北道，向赤谷城进军(今吉尔吉斯斯坦伊什提克)，陈汤率三个编队出南道，翻越帕米尔地区，向郅支城进军。陈汤沿路捕获康居副王的亲属及一些贵族，他们答应做向导，并将郅支的情况做了大致介绍。而后大军便直抵郅支城都赖水边，在距城三里远的地方安营布阵。只见城头上彩旗飘展，数百名披甲兵士登高守备，有的向汉军招手挑逗，甘延寿与陈汤观察之后便令军士四面包围其城，以箭杀伤守城兵士，于是展开了一场对射。
郅支单于得到汉军进攻的消息时，先打算逃跑，他害怕康居人对他怀恨在心，有做汉军内应的人。可是又听说乌孙等国也发兵参战，顿时感到一阵绝望。带了一些人走出去又返回来，说：“不如坚守这里，汉兵远道而来，肯定不会停留太久。”汉兵猛烈攻城时，郅支单于身穿甲衣带领他的妻妾数十人一齐登上城楼，这些美女们用现在的话来说都是一个个的“女汉子”，齐刷刷拉弓射箭，干掉不少汉兵，甚至一箭差点射中正在城下指挥作战的陈汤。陈汤顿时大怒，下令所有强弩全部朝郅支单于射去，擒贼先擒王，射中者重重有赏。听到这个命令，士兵们顿时很激动，一顿乱箭射死了郅支的几个妻妾，又射中了他的鼻子。郅支顾不上指挥立马跑回去包扎。