陳湯見甘延壽答應了，大喜過望，連忙讓人給甘延壽披上鎧甲，兩人一同登上高壇，下令軍隊出發。四萬大軍，分成兩路，浩浩蕩蕩地向郅支城進軍。

這一路行軍，可真是艱苦啊！西域的戈壁灘，白天烈日炎炎，沙子被曬得滾燙，士兵們走在上面，腳底板都快被燙熟了；到了晚上，又寒風刺骨，氣溫能降到零下好幾度，不少士兵都凍得瑟瑟發抖。而且一路上水源稀少，糧草運輸也困難，有時候士兵們只能靠吃乾糧、喝積雪。

可陳湯和甘延壽卻毫無怨言，他們親自走在隊伍前面，鼓舞士兵們計程車氣。陳湯還特意下令，嚴禁士兵劫掠沿途的百姓，若是遇到西域小國的部落，還主動送上禮物，說明漢朝出兵是為了討伐郅支，與他們無關。這樣一來，沿途的西域部落不僅沒有阻攔漢軍，反而還主動給漢軍提供糧草和嚮導，大大加快了行軍速度。

走了將近一個月，漢軍終於抵達了康居國境內。陳湯得知，郅支最近又派了不少人去劫掠康居的百姓，康居的部落首領對郅支恨之入骨，便派人去聯絡這些部落首領，讓他們配合漢軍作戰。這些部落首領一聽漢軍要來討伐郅支，紛紛表示願意幫忙，還把郅支城的防禦情況告訴了陳湯：郅支城分為內外兩重，外城是土城，內城是木城，城外還有一道護城河，城上駐守了不少匈奴士兵，郅支還招募了不少西域的勇士，組成了一支“外籍兵團”，防守十分堅固。

陳湯聽了，心裡有了底。他和甘延壽商議，決定先派一支小部隊去試探一下郅支城的防禦，同時麻痺郅支，讓他以為漢軍只是小股部隊，放鬆警惕。果然，郅支見漢軍只有幾百人來攻城，便沒放在心上，還親自登上城頭指揮作戰。可他沒想到，這只是陳湯的誘敵之計。

第二天一早，陳湯和甘延壽下令，四萬大軍全部出動，將郅支城團團圍住。陳湯站在陣前，親自擂鼓助威，大喊道：“將士們！郅支殺我漢使，辱我漢朝，今日便是我們為漢使報仇，揚我漢威的時候！誰能第一個登上郅支城，賞金封侯！”

士兵們聽了，士氣大振，紛紛吶喊著衝向郅支城。漢軍的弓箭手先是對著城頭一陣猛射，箭如雨下，城上的匈奴士兵紛紛中箭倒地；接著，漢軍的盾牌手衝到護城河前，用木板和沙袋填平了護城河，後續計程車兵拿著長戟和雲梯，開始攻城。

郅支城的匈奴士兵也不是吃素的，他們在城上往下扔滾木礌石，還用火把點燃了漢軍的雲梯，不少漢軍士兵都被砸傷、燒傷。可漢軍士兵卻毫無懼色，前赴後繼地往上衝。西域聯軍也不甘落後，烏孫的騎兵繞到郅支城的側翼，發起猛攻；康居計程車兵則負責攻打外城的城門，試圖從城門突破。

雙方激戰了整整一天，到了傍晚的時候，漢軍終於攻破了郅支城的外城。郅支見外城失守，慌了神，連忙下令把所有兵力都集中到內城，死守內城。陳湯見外城已破，便下令暫停攻城，讓士兵們休息一晚，第二天再攻內城。

當天晚上，郅支想趁著夜色突圍，他親自帶著幾百名精銳騎兵，從內城的西門衝了出來。可陳湯早就料到他會突圍，提前在西門外埋伏了重兵。郅支的騎兵剛衝出來，就被漢軍的弓箭手包圍了，一陣箭雨過後，郅支的騎兵死傷大半，郅支本人也被一箭射傷了肩膀，只能狼狽地退回內城。

第二天一早，陳湯下令發起總攻。漢軍和西域聯軍從四面八方衝向內城，內城的匈奴士兵雖然拼死抵抗，可終究寡不敵眾。沒過多久，內城的城門就被漢軍攻破了，士兵們蜂擁而入，與匈奴士兵展開了巷戰。

郅支見大勢已去，便帶著自己的妻妾和親信，躲進了內城的宮殿裡。漢軍士兵很快就包圍了宮殿，大喊著讓郅支投降。可郅支寧死不降，還拿起弓箭，射殺了幾名漢軍士兵。陳湯見狀，大怒，下令士兵們放火燒宮。

宮殿很快就被大火包圍，郅支的妻妾們紛紛哀嚎著四處逃竄，不少人被燒死在宮裡。郅支本人也在混亂中被一名漢軍士兵斬殺，首級被砍了下來，送到了陳湯麵前。陳湯看著郅支的首級，長出了一口氣，對甘延壽道：“將軍，我們成功了！郅支已死，漢使的仇報了，西域的隱患也除了！”

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