当天晚上，郅支想趁着夜色突围，他亲自带着几百名精锐骑兵，从内城的西门冲了出来。可陈汤早就料到他会突围，提前在西门外埋伏了重兵。郅支的骑兵刚冲出来，就被汉军的弓箭手包围了，一阵箭雨过后，郅支的骑兵死伤大半，郅支本人也被一箭射伤了肩膀，只能狼狈地退回内城。
第二天一早，陈汤下令发起总攻。汉军和西域联军从四面八方冲向内城，内城的匈奴士兵虽然拼死抵抗，可终究寡不敌众。没过多久，内城的城门就被汉军攻破了，士兵们蜂拥而入，与匈奴士兵展开了巷战。
郅支见大势已去，便带着自己的妻妾和亲信，躲进了内城的宫殿里。汉军士兵很快就包围了宫殿，大喊着让郅支投降。可郅支宁死不降，还拿起弓箭，射杀了几名汉军士兵。陈汤见状，大怒，下令士兵们放火烧宫。
宫殿很快就被大火包围，郅支的妻妾们纷纷哀嚎着四处逃窜，不少人被烧死在宫里。郅支本人也在混乱中被一名汉军士兵斩杀，首级被砍了下来，送到了陈汤面前。陈汤看着郅支的首级，长出了一口气，对甘延寿道：“将军，我们成功了！郅支已死，汉使的仇报了，西域的隐患也除了！”
甘延寿看着郅支的首级，也是激动得热泪盈眶，他握住陈汤的手，道：“子公，若不是你力排众议，果断出兵，我们也不会有今日之功啊！”
随后，陈汤下令清点战果：此战共斩杀郅支单于及其手下名王以下一千五百一十八人，生擒一百四十五人，投降的匈奴士兵有一千多人。汉军还从郅支的宫殿里搜出了当年谷吉等汉使的节杖和印信，证明了郅支杀汉使的罪行。
陈汤让人把郅支的首级装在木匣里，派使者快马送往长安，同时附上了一封奏疏。这封奏疏里，就有那句流传千古的豪言：“臣闻天下之天下，当混为一。匈奴呼韩邪单于已称北藩，唯郅支单于叛逆，未伏其辜，大夏之西，以为强汉不能臣也。郅支单于惨毒行于民，大恶逼于天。臣延寿、臣汤将义兵，行天诛，赖陛下神灵，阴阳并应，天气精明，陷陈克敌，斩郅支首及名王以下。宜县头槁街蛮夷邸间，以示万里，明犯强汉者，虽远必诛！”
这段话的意思是说：如今的天下，就是要统一。匈奴呼韩邪单于已经归附汉朝，只有郅支单于叛逆不服，还以为汉朝不能制服他。郅支单于残暴对待百姓，罪恶滔天。我甘延寿、陈汤率领正义之师，替天行道，依靠陛下的神灵保佑，终于攻克敌人，斩杀了郅支单于及其手下。应该把郅支的首级挂在长安槁街（汉朝专门安置外国使节的地方）的蛮夷邸之间，让天下人都知道，凡是敢侵犯强大汉朝的人，就算跑得再远，也一定会被诛杀！
使者带着郅支的首级和陈汤的奏疏，日夜兼程地赶往长安。消息传到长安，元帝和大臣们都惊呆了，他们没想到陈汤和甘延寿真的能斩杀郅支，而且还打得这么漂亮。元帝拿着陈汤的奏疏，读到“明犯强汉者，虽远必诛”这句话时，更是激动得拍案叫好，道：“好一个陈汤！好一句‘明犯强汉者，虽远必诛’！这才是我大汉的将军！”
小主，
可那些大臣们，对此事却有不同意见。石显、匡衡等大臣，早就看陈汤不顺眼，他们觉得陈汤“矫诏”出兵，是目无君上，虽然立了功，但也不能姑息，否则以后大臣们都学他“矫诏”，朝廷的法度就乱了。他们纷纷上奏，说陈汤“擅兴师旅，矫诏行事，论罪当诛”，就算不杀，也该削去官职，贬为庶民。
而刘向等支持陈汤的大臣，则反驳道：“陈汤、甘延寿出使西域，为国除害，斩杀郅支单于，报了汉使被杀之仇，扬我汉威于西域，此乃不世之功。‘矫诏’虽有不妥，但也是为了国家利益，若不是他们当机立断，恐怕郅支早已势力壮大，后患无穷。陛下若因小过而忘大功，不仅会让陈汤寒心，还会让边疆的将士们失望，以后谁还敢为国家效力？”
双方争论不休，元帝也犯了难。他既觉得陈汤“矫诏”不对，该治罪，可又觉得陈汤的功劳太大，若真的治罪，确实说不过去。最后，元帝权衡再三，决定采纳刘向的意见，不治陈汤、甘延寿的“矫诏”之罪，反而对他们论功行赏：封甘延寿为义成侯，食邑一千五百户，升任长水校尉；封陈汤为关内侯，食邑三百户，升任射声校尉。
陈汤的食邑比甘延寿少了不少，官职也低了一级，这里难免有石显、匡衡等人的暗中作梗，但能被封为关内侯，也算是对他功绩的认可了。消息传到西域，陈汤和甘延寿都十分高兴，他们下令将投降的匈奴士兵分给西域诸国，又安抚了康居国的百姓，然后带着军队返回了西域都护府。
可陈汤的仕途，并没有就此一帆风顺。他为人豪爽，不拘小节，又有些贪财。在西域的时候，他曾把缴获的一些财物据为己有，这事后来被人揭发，朝廷虽然没有重罚他，但也削去了他的部分食邑。后来，他又因为得罪了石显等权贵，被多次贬官，最后甚至被罢官为民，流放到了敦煌。
直到成帝年间，刘向的儿子刘歆上书为陈汤鸣冤，说陈汤“斩郅支单于，威震外国，武畅西海，汉元以来，征伐方外之将，未尝有也”，成帝这才下令召陈汤回长安，任命他为从事中郎。可此时的陈汤，已经年老体衰，加上多年的贬谪生活，身体早就垮了，没过多久，就病逝在了长安。
陈汤的一生，充满了争议。他有“不孝”的污点，有“矫诏”的冒险，有贪财的毛病，可他也有“敢为天下先”的胆气，有“运筹帷幄”的智谋，更有“明犯强汉者，虽远必诛”的豪情。他的功绩，不仅仅是斩杀了一个郅支单于，更重要的是，他用一场远征，向天下证明了汉朝的强大，让西域诸国不敢再轻视汉朝，也让后世的汉人，永远记住了那句充满民族自信的豪言。
明犯强汉者，虽远必诛！