令四万大军开进到离单于城只有三里之处，就地构筑兵营与防御工事，然后与陈汤登上小山丘，遥望单于城。
只见单于城由三道城墙所构成，最里面一道墙是土墙，土墙外还有两道木墙。城墙上悬挂满五彩旗帜，迎风飘扬。城墙上有数百名匈奴兵正是巡逻，城门下有一百多名骑兵往来于木墙与土墙之间，估计是在传递汉军兵临城下的消息。在城门两侧，还有百余名士兵正在操习“鱼鳞阵”，还可以看到一个小头目正在对士兵们讲习战法。
看来郅支单于早已做好作战的准备了。
关于陈汤这次著名的远征，还有一个小插曲。
1940年，牛津大学的学者德效骞撰文提出一个观点：陈汤所面对的匈奴人中，有一部分是罗马军团的残部，这个观点在前几年又风行一时。
前53年，古罗马帝国的统帅克拉苏（剿杀斯巴达克起义的重要人物）率领七个军团入侵帕提亚（即安息国），在卡雷会战中，罗马军团遭到惨败，包括克拉苏在内的二万名罗马人被杀，一万名士兵成为帕提亚人的俘虏。这一万名罗马战俘被安置在帕提亚（安息）东部。
十七年后（前36年），陈汤的兵团在单于城下发现匈奴军队演习“鱼鳞阵”，从这种阵法的表面意思来看，有点类似于罗马军团步兵方阵的“龟甲阵”，也就是以大盾牌将步兵方阵的上方及周围防护得结结实实，象一只大乌龟壳一样。而且单于城的外城采用“重木城”，这也是罗马人的典型防御术。
这似乎可以说明，有部分罗马战俘从安息国（帕提亚）逃出来，投到郅支单于的麾下，从地理位置来看，这是有可能的。根据《汉书》记：“安息国，王治番兜城，去长安万一千六百里。不属都护。北与康居、东与乌弋山离、西与条支接。”安息国的北部正是与康居国相接壤，所以这些罗马士兵从安息国逃出来后，进入康居国，加入郅支单于的军队，是完全有可能的。
由于欠缺更多的史料，历史学界也有很多人反对这种说法。笔者认为罗马士兵加入郅支单于军队这种说法可能性非常大。
安息与康居国当时都不在中国的控制范围，在这个地区，似乎郅支单于是最强大的一支力量，在陈汤对甘延寿分析西部形势时，曾提到郅支单于一旦控制乌孙与大宛国，可能西取安息，由此可见郅支在这一地区的势力。
可是根据《汉书》，郅支单于到达康居国时，只剩下三千名骑兵，就算再加上康居国的军事力量，也未必强大到什么地步，因为康居国在长期与乌孙战争中，始终居于下风，那么可以推想郅支单于除了三千名匈奴骑兵外，一定还有另一支军事力量，这很有可能便是这支罗马兵团的余部。
可是罗马兵团的余部是如何由安息国到康居国，又到底多少人投奔郅支单于呢？这就是个谜了。也许是罗马战俘被安息人派往边境戊边，然后集体逃跑，投奔郅支单于，此时势单力薄的郅支单于当然求之不得。也许是郅支单于攻击安息国，意外收编了这此罗马战俘，当然，这些仅是猜测。
为什么史书会记下单于城的士兵在操练“鱼鳞阵”呢？要知道《汉书》中对战争的记述一般是很简略的，这肯定是这种“鱼鳞阵”引起远征军官兵的兴趣。为什么会兴趣呢？可能有几个原因：一，可能汉军没有见过这种阵法，所以印象深刻；二，匈奴人一直是以骑兵为主力，根本没有听说过匈奴有步兵，特别是匈奴步兵还操习这种阵法。
所以笔者倾向于认为在郅支单于麾下，确实有一支罗马军队，人数不详。
题外话，扯远了，还是言归正传。
在城楼上的匈奴兵远远冲着远征军的大本营，故作勇敢状，高声喊道：“有种的过来较量较量！”看来是死到临头还嘴硬。
刚才在在城门间来回奔跑的匈奴骑兵一百多人，也高声吆喝着，策马驶出城门，冲着联军大本营冲杀过来。做什么呢？神风敢死队么？
陈汤哂然一笑，命令中国兵团强弓劲弩伺侯，弓弩兵引箭上弦，瞄准冲杀过来的匈奴骑兵。匈奴人晓得汉军弓弩的厉害，一看大势不妙，为首的那人调转马头急忙便跑，其余士兵一看，纷纷鼠窜回城内。
汉军的弓箭手整齐有序地向前行进，到了弓弩的射程范围后停下来，列队持弩，指挥官一声令下，从弩膛中射出的箭雨飘向空向，划出一道道漂亮的弧线后，坠落在单于城的城门附近。城门下操习兵阵的士兵赶紧摆出新演练的“乌龟阵法”，用盾牌将步兵方阵遮盖得严严实实，即便如此，还是不免吓出一身的冷汗，心中暗叫“厉害厉害！”然后这个乌龟营退入城内，把城门关闭上了。
陈汤策马行进到联军阵前，奔跑的战马掠起一阵风，将陈汤的披襟吹起，飘扬于风中。陈汤立于飒飒风中，拔出宝剑，寒光闪闪，对全体远征军将士说：“诸位将士听令，六路纵队，听到战鼓声擂响，便直扑城下，将单于城团团围困。各纵队按预先安排的作战任务，工兵负责在城墙上打洞挖穴，填堵城墙上敌人的瞭望孔与射箭孔，持刀盾的步兵冲在前头，长戟兵与弓弩兵紧随其后，弓箭手要压制城楼上匈奴兵的火力，掩护先头部队破城。兵士们，千古勋业，在此一战！”
四万名将士早已热血沸腾，历史将记载下他们这一天的伟大功业！
战鼓声响起，打破了荒凉的效外的平静，顿时杀声震天。远征军将士如潮水般涌向单于城下，密集的箭雨纷纷落在城头上，遗留下一具具匈奴人的尸体。
外城是木城，匈奴人凭借木城上的射箭孔拼命抵抗，给联军的进攻制造了不少麻烦，不过士兵倒在箭下。陈汤命令先锋部队携带木柴，冲到木城下，然在放火。一时间，大火沿着木城墙蔓延开，躲在木城内的不少匈奴兵来不住逃跑，便被大火吞噬了。
外围战一直打到了傍晚，夜幕降临，熊熊火光映亮了天空。
突然，数百名匈奴骑兵从城门杀出，企图借着夜色的掩护，冲开联军的重围。陈汤果断地命令弓弩兵拦截，训练有素的弓弩兵列阵相迎，以一阵箭雨痛击企图突围的匈奴骑兵，匈奴骑兵人仰马翻，侥幸躲过箭雨的匈奴兵，很快被赶过来的联军步兵斩杀，这支数百人的匈奴骑兵分队，全军覆没，无一人漏网。
战事吃紧，郅支单于亲自上阵，身披战甲，登上城楼。有意思的是，单于的夫人小妾们也纷纷来助阵，共有数十个之多，这些匈奴女人好是生猛，竟然个个可以开弓射箭。
联军中有些战士居然被射伤了，弓弩部队的战士们大怒，“嗖嗖嗖——”往城楼上猛射了一通箭，几声惨叫，郅支单于的小妾们被射倒了好几个，郅支单于正在心疼上，冷不防一支箭飞过来，不偏不倚，正好射在郅支单于的鼻子上。郅支忍痛将箭拔出来，顿时血流满面。大势不妙，他赶紧下了城楼，躲到城内去了。
这时双方已经交战好几个时辰了，陈汤意志坚定，一定要一鼓作气拿下单于城。
午夜，熊熊大火已把外城全部烧毁。外城残余的匈奴士兵退守内城，登上土城墙，这些匈奴战士仍然表现非常英勇，还在城墙上高声呐喊，以壮声威。难怪郅支单于以区区数千人的匈奴骑兵为家底，竟然可以称霸一方，其战斗力果然十分了得。
甘延寿、陈汤指挥大军继续进攻内城。突然间，城上的匈奴兵一阵欢呼声，陈汤回首一望，远处无数的火把在暗夜中移动着，原来匈奴人的援兵来了！