不久甘延寿突然生病，陈汤乘机矫诏集结军队，征召了四万兵马，奔袭三千里，直入乌孙境内，奇袭数千正在劫掠的康居骑兵，并让其当向导，一路势如破竹，至单于城外三十里处扎营，随后大军挺进都赖水畔，距敌三里处布阵。匈奴吓得不敢出城。午夜，汉军击溃木城上的匈奴守军，乘机纵火，焚烧敌军。黎明时分，单于城四面火起，汉军举盾堆土，破城而入。郅支单于抵挡不住，率领百余人且战且退，到王宫负隅顽抗，汉军借助火攻勇猛进击，一举斩杀郅支单于，此战结束了百年汉匈战争。