當(dāng)時西域的情況較為復(fù)雜。宣帝時期匈奴內(nèi)亂，五個單于爭奪王位，其中郅支單于以武力兼并呼偈、堅昆、丁令三國，日益強盛，先困厚漢朝的使者江乃始，后又殺死使者谷吉。郅支單于自知有負于漢朝，害怕漢朝出兵報復(fù)，就向西跑到康居（今新疆北境至俄領(lǐng)中亞）。康居王尊敬郅支，將女兒給他做妻子。郅支便借兵多次襲擊鄰國烏孫，深入到赤谷城（今山西孝義縣西）殺掠人口，搶奪牲畜財物。烏孫不敢還擊，而是遠遠地逃避，于是郅支擁有千里之遠的勢力范圍，自以為大國之主，很不尊重康居王，竟至一怒之下殺死了康居王的女兒、貴人等數(shù)百人，還把一些尸體支解后扔進都賴水中。同時他又派出使者到闔蘇、大宛等國，脅迫他們年年給他進貢。那些小國不敢不給。漢朝也曾三次振出使者到康居，索要使者谷吉等人的尸體，郅支非但不給，而且侮辱漢使，以嘲諷的口吻說：“居困厄，愿歸計強漢，遣子入侍”（《漢書·陳湯傳》）。漢使聽出他的言外之意，還有取代皇帝的野心，真是狂妄至極。
　　陳湯與甘延壽了解了郅支單于的這些情況后，于建昭三年（前36年）出兵西域。
　　陳湯為人“沉勇有大慮，多策謀，喜奇功”（《漢書·陳湯傳》）。每當(dāng)路過城鎮(zhèn)或高山大川時，他都登高遠望，認真觀察、記憶。這次出使西域，只帶著一支護衛(wèi)軍隊，而不是征討大軍。當(dāng)他們走出國境時，陳湯便對甘延壽說：“夷狄畏服大種，其天性也。西域本屬匈奴，今郅支單于威名遠聞，侵陵烏孫、大宛，常為康居畫計，欲降服之。如得此二國，北擊伊列，西取安息，南排月氏、山離烏弋，數(shù)年之間，城郭諸國危矣。且其人剽悍，好戰(zhàn)伐，數(shù)取勝，久畜之，必為西域患。郅支單于雖所在絕遠，蠻夷無金城強弩之守，如發(fā)屯田吏士，驅(qū)從烏孫眾兵，直指其城下，彼亡則無所之，守則不足自保，千載之功可一朝而成也”（《漢書·陳湯傳》）。甘延壽認為他的分析很有道理，便說要奏請朝廷同意后行動。陳湯說：“國家與公卿議，大策非凡所見，事必不從”（《漢書·陳湯傳》）。甘延壽考慮還是應(yīng)該履行奏請的手續(xù)，這時他得病了。陳湯等了一天又一天，焦急之中便果斷地采取了假傳圣旨的措施，調(diào)集漢朝屯田之兵及車師國的兵員。甘延壽在病榻上聽到這一消息時大吃一驚，想立即制止陳湯這種犯法的舉動，陳湯憤怒地手握劍柄，以威脅的口氣呵叱延壽：“大眾已集會，豎子欲沮眾邪？”（《漢書·陳湯傳》）甘延壽只好依從他，帶領(lǐng)起各路、各族軍兵四萬多人，規(guī)定了統(tǒng)一的號令，編組了分支隊伍序列，大張旗鼓向北進發(fā)。
　　甘延壽與陳湯將大軍分為六校，三校走南道，過蔥嶺（喀喇昆侖山脈西部）經(jīng)大宛；另三校走北道，入赤谷，過烏孫與康居境，陳湯沿路捕獲康居副王的親屬及一些貴族，經(jīng)過解釋，他們愿做向?qū)?，并將郅支的情況作了詳細介紹。而后大軍便直抵郅支城都賴水邊，在距城三里遠的地方安營布陣。只見城頭上彩旗飄展，數(shù)百名披甲兵士登高守備，有的向漢軍招手挑逗，甘延壽與陳湯觀察之后便令軍士四面包圍其城，以箭殺傷守城兵士，于是展開了一場對射。
　　郅支單于得到漢軍進攻的消息時，先打算逃跑，因為他懷疑康居人對他懷恨在心，有做漢軍內(nèi)應(yīng)的人?？墒怯致犝f烏孫等國也發(fā)兵參戰(zhàn)，他便有走投無路之感。帶了一些人走出去又返回來，說：“不如堅守。漢兵遠來，不能久攻”（《漢書·陳湯傳》）。
　　當(dāng)漢兵猛烈攻城時，郅支單于身穿甲衣帶領(lǐng)他的妻妾數(shù)十人一齊登上城樓，他的妻妾也都拉弓射箭。攻城的飛箭射死他幾個妻妾，又射中了他的鼻子。郅支便發(fā)怒了，下樓騎馬跑回了他的宮室。第二天，陳湯命令將士四面齊用火攻，又擊鼓助威，漢只冒著煙火突破外圍的木柵，并且趁機沖進土城。郅支單于身邊只有男女?dāng)?shù)百人及一些吏士，毫無抵御能力。漢兵勇猛擊殺，將郅支刺死。軍候杜勛割下郅支單于的首級，又從獄中解救出兩名漢朝的使者，從宮中搜出已故使者谷吉所帶的文書信件。人城將士搜捕敵軍，誅殺了郅支單于的妻妾、太子以及得封的王公等共一千五百一十八人，生擒官吏一百四十五人。另外俘虜敵兵一千余人，都交給了參與打擊郅支的小國軍隊。
　　這次勝利，結(jié)束了西漢與匈奴的百年戰(zhàn)爭，為遇難受辱的漢使報仇雪恨，提高了漢朝在西域各國的威信。戰(zhàn)后，甘延壽與陳湯立即寫出上報朝廷的奏疏，派人連同郅支首級送回長安。
　　疏曰：“臣聞天下之大義，當(dāng)混為一，昔有康、虞，今有強漢。匈奴呼韓邪單于已稱北？，唯郅支單于叛逆，未伏其辜，大夏之西，以為強漢不能臣也。郅支單于慘毒行于民，大惡通于天。臣延壽、臣湯將義兵，行天誅，賴陛下神靈，陰陽并應(yīng)，天氣精明，陷陳克敵，斬郅支首及名王以下。宜縣頭槁街蠻夷邸間，以示萬里，明犯強漢者，雖遠必誅”（《漢書·陳湯傳》）。
　　正當(dāng)甘延壽與陳湯帶領(lǐng)將士凱旋而歸時，朝中的司隸校衛(wèi)（執(zhí)法官員）也從長安出發(fā)了，他們于大路之上攔住陳湯，對他進行檢查。
　　原來陳湯向來貪財。攻克郅支城后，繳獲了大量財物，陳湯私自藏起來不少金銀財寶，知情者在西域時便向朝廷舉報了此事，所以司隸校衛(wèi)攔路搜查，準備拘捕。陳湯立即上書皇帝說：“臣與吏士共誅郅支單于，幸得禽滅，萬里振旅，宜有使者迎勞道路。今司隸反逆收系按驗，是為郅支報仇也”（《漢書·陳湯傳》）！皇帝便下令撤回司隸，并令沿路縣城擺設(shè)酒食夾道歡迎得勝之軍過境?；爻?，論功行賞時，中書令石顯、匡衡認為甘延壽和陳湯假傳圣旨，犯有大罪，以功相抵，不予誅殺就可以了，如果再予封爵賞賜，那么今后的出國使者爭先效仿，必然無事生非，為國招難。元帝聽了覺得也有道理，但他內(nèi)心還是想嘉獎有功之將，于是此事便議而不決，拖延下去。
　　宗正劉向認為，對待甘延壽和陳湯僅以功過相抵是不公平的。他又上書皇帝，專門評析了掃除郅支的艱難以及意義，他認為甘、陳“總百蠻之君，攬城郭之兵，出百死，入絕域，遂蹈康居，屠五重城，搴歙侯之旗，斬郅支之首，縣旌萬里之外，揚威昆山之西，掃谷吉之恥，立昭明之功，萬夷懾伏，莫不懼震。呼韓邪單于見郅支已誅，且喜且懼，鄉(xiāng)風(fēng)馳義，稽首來賓，愿守北？，累世稱臣。立千載之功，建萬世之安，群臣大勛莫大焉”（《漢書·陳湯傳》），他引經(jīng)據(jù)典加以論證，又與前朝和當(dāng)代的功臣名將進行類比，闡明自己的觀點是應(yīng)予封爵表彰。
　　于是元帝下詔赦免了甘延壽、陳湯的假傳圣旨之罪，然后又讓大臣討論封賞事宜。石顯、匡衡仍然堅持他們的主張。但元帝最終于封甘延壽為義成侯，賜陳湯爵位為關(guān)內(nèi)侯，各賞食邑三百戶、黃金百斤，并拜陳湯為射聲校尉，延壽為長水校尉。
　　成帝劉驁即位后，丞相匡衡又向成帝起奏陳湯私藏戰(zhàn)品的事，說雖然赦免其罪，但不應(yīng)有官職，于是陳湯被免職。之后陳湯向成帝上書，說康居王送到漢朝來的王子（名為侍子，實有人質(zhì)之意）不是真正的王子。成帝命人核實，確實是真王子。假如王子是假的，那末證明康居王對漢朝采取了欺騙手段，現(xiàn)已驗證是真的，那末陳湯就犯有誣告乃至欺君之罪。陳湯被捕入獄，準備處以死刑。
　　這時，太中大夫谷永向成帝上書，極力贊譽陳湯的功績，并引用《周書》說“記人之功，忘人之過，宜為君者也”，亟請皇帝開恩。于是陳湯被成帝特赦釋放，但取消了他的爵位，只當(dāng)個一般士兵。
　　幾年后，西域都護段會宗受到烏孫兵馬的圍攻，段會宗派人請求朝廷盡快發(fā)兵援救。丞相王商、大將軍王鳳及百官討論數(shù)日仍無結(jié)果。王鳳向成帝建議，請陳湯來幫助策劃。成帝立即召見陳湯。陳湯早在攻擊郅支時落下風(fēng)濕病，兩臂不能屈伸，因此入見皇帝時，皇帝先下詔不用行跪拜之禮，讓他看段會宗寫回來的緊急求救奏書。陳湯推辭說：“將相九卿皆賢材通明，小臣罷癃，不足以策大事”（《漢書？陳湯傳》）。成帝聽出他話中有怨氣，便說：“國家有急，君其毋讓?！标悳f：“臣以為此必?zé)o可憂也。”成帝問他為什么這樣說？他回答說：“一般情況下，五個胡兵相當(dāng)于一個漢兵，因為他們的兵器原始笨重，弓箭也不鋒利。如今他們也學(xué)漢兵的制作技巧，有了較好的刀、箭，但仍然可以三比一來計算戰(zhàn)斗力?，F(xiàn)在圍攻會宗的烏孫兵馬不足以戰(zhàn)勝會宗，因此陛下盡管放心。即使發(fā)兵去救，輕騎平均每天可走五十里，重騎平均才三十里，根本不是救急之兵?！标悳罏鯇O之軍皆烏合之眾，不能持久進攻，因此他推算了日期后說：“現(xiàn)在那里的包圍已經(jīng)解除。不出五天，會有好消息的?！边^了四天果然軍書報回，說烏孫兵已解圍而去。大將軍王鳳通過這件事深感陳湯經(jīng)驗豐富，大有用處，于是奏請皇帝啟用陳湯，任他為從事中郎，軍事上的大事都請他做出決斷。陳湯嚴明法令，采納眾人的意見辦事，頗有將帥風(fēng)范。但他又經(jīng)常接受人賄賂的金錢，最終因此而身敗名裂。
　　陳湯后被免職為庶人，徙居敦煌。住了幾年后，敦煌太守上書朝廷說：“陳湯曾經(jīng)誅殺郅支單于，威風(fēng)遠及外國，現(xiàn)在降為庶人，不宜住在邊塞地方?！庇谑怯职阉w到安定（今甘肅固原縣）。議郎耿育看到陳湯處境可憐，便又上書于皇帝，再次論述了他的功績，說明當(dāng)今國家“梟俊擒敵之臣，獨有一陳湯耳”他之所以被冷落遭不幸，是由于嫉妒之臣的排擠、打擊所致，懇請皇帝予以關(guān)懷、照顧?；实巯略t讓陳湯遷回長安居住，不久去世。
　　幾年后，王莽執(zhí)政后，追謚陳湯為破胡壯侯，封其子陳馮為破胡侯，陳勛為討狄侯。