激战双方各有伤亡，外城战事一直持续到傍晚，到黑夜降临之时，郅支单于遣数百骑兵出城冲击攻城军队，尽皆被攻城军射杀，入夜时分，外城已经全被烧毁，守军尽皆退入内城负隅顽抗。
这时，突然杀出万余康居军欲救单于城，被陈汤指挥联军胖揍一顿后知难而退。而此时内城的战斗还在继续，攻城方边以火箭压制守军，边以盾牌装土堆积城下，造了一个土坡，之后踏着土坡登上城墙攻入城内，此时郅支单于手下仅余百余人，皆退入单于住所，联军战士于是放火烧门，顷刻间就烧透大门，联军战士一拥而入，七手八脚的胡乱把这些匈奴人都干掉了，并由军候假丞杜勋斩下郅支单于的首级。此役共斩杀匈奴人一千五百一十八人，擒一百四十五人，还有一千多人弃械。
至此，这次远离汉国万里之外的征战完美的达成战略目标。
此役若仅以杀擒敌军的数字来看，比之卫、霍诸人的战绩远远不如，但象征意义极大。这是距汉国最远的一次征战，同时也是一百六十几年的汉匈战争中第一次斩杀匈奴单于，而且这次大规模的征战没有耗费国内的一钱一粮。这次胜利，造就了陈汤千古不朽的英名。
战后，甘延寿与陈汤上书朝廷，谨录于下："臣闻天下之大义，当混为一，昔有康、虞，今有强汉。匈奴呼韩邪单于已称北籓，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，大恶通于天。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。"
