建立如此不世之功，书奏朝廷后，丞相、御史都怪罪陈汤、甘延寿两个人矫制发兵，中书令石显又因为怨恨甘延寿不娶她姐姐的前隙，乘间攻击两个人为国生事招难。由于陈汤本人确实有贪财的毛病，击败匈奴后把不少胜利品归为己有，也为司隶校尉所弹劾，并派人前去按验审查。
情急之下，陈汤上疏：“臣与将士共诛郅支单于，万里振旅凯旋，应有使者于路上慰留欢迎。现在司隶来审查按验，是为郅支单于报仇啊。”元帝觉得有理，诏令州县准备酒食于路劳军。甘延寿、陈汤回朝后，石显等人不断上书二人乘危侥幸、矫制兴军之罪。汉元帝内心其实很叹赏两人大功，但汉法严厉，因此迟疑不决，赏罚诏令一时间也拿不定。最后，汉朝宗室刘向上疏：“郅支单于囚杀使者吏士以百数，伤毁大汉国威。甘延寿、陈汤总百夷之君，揽城郭之兵，出百死，入绝域，斩郅支之首，悬旌万里之外，万夷慑伏，真不惧震。立千载之功，建万世之安，群臣功劳莫过于此！武帝时代贰师将军李广利兴师五万，费钱数亿，经四年劳顿，仅获骏马三十匹，武帝仍不录其过错，封拜军人共两侯、三卿、二千石一百多人。现在甘延寿、陈汤不劳汉师，不费斗粮，斩郅支之首，功高百倍于贰师将军。应该高官厚爵，以奖有功。”于是汉元帝拜甘延寿义成侯，陈汤关内侯，各食邑三百户，另赐黄金百斤。
甘延寿不久病死。汉成帝即位后，从前诋毁他们两人的匡衡等朝臣又复奏甘、陈二人盗收康居国财物，陈汤被免为民。后来，陈汤又犯事下狱当死，因前功被免贬为士兵。
十多年后，西域都护段会宗为乌孙兵围困，上书告急，希望朝廷征发敦煌士卒救援。当时的丞相王商、大将军王凤及百官商议数日也做不了决策。王凤最后对汉成帝说陈汤对西域事了解很多，可召见问他的意见。
陈汤在攻打郅支单于时患上严重的风湿病，双臂都不能伸屈。皇帝召入后免其拜礼，把段会宗的告急文书给他看。陈汤久废在家，一肚子怨气，辞诉说：“将相九卿都贤达聪明，小臣区区一个残废人，不值得问我国家大事。”成帝说：“国家有急，您不要推辞。”陈汤想了想，说出自己的看法：“臣以为肯定没有什么事，敌围自解。”成帝问其原因。陈汤说：“胡兵五个才能当一个汉兵，因为他们的兵器质量不行。最近听说他们的铸造技巧已效仿汉人得以改进，仍然是三个当一个。现在包围段会宗的乌孙兵人数不足战胜汉军，又不能久攻，不出五天，当有好消息传来。”四天之后，段会宗疏奏果然送到，报告敌围已解。由此，大将军王凤上报皇帝以陈汤为从事中郎，参决军政事宜。从陈汤一席话中，可以想见当年的汉人是多么壮勇，身高马大的“胡兵”手执利刃，三个人仅仅能敌一汉军。孰料到了南宋末期，数万宋军乘人之危，攻击几千被蒙古打败的金国兵，反而又被这些残卒败兵所打跑。
陈汤复官后，老毛病又犯，常常受人金钱为人作奏章。后来王凤的政敌成都侯王商执掌朝政（王凤王商虽为兄弟，但权力之争使父子兄弟水火不容。另，此王商不是先前的丞相王商），又指奏陈汤惑众不道和大不敬之罪，贬至敦煌。敦煌太守奏：“陈汤先前亲诛郅支单于，威行外国，不宜近边塞。”朝廷又把他迁到安定安置。
最后，还是议郎耿育上书皇帝，称“陈汤老弃敦煌，正当西域通道，令郅支遗虏所笑！至今奉使外蛮者，未尝不陈说大汉诛杀郅支单于的国威。朝廷现在贬窜功臣，使其死无其所。今国家既无文帝累年节俭富饶之畜，又无武帝枭俊擒敌之臣，独有一陈汤耳！”书奏后，陈汤得于回归长安家中，不久病死。大英雄荣耀一时，大半生落寞，毕竟是节行有亏，不能善始善终。思及种种，反倒觉得他是个真正立体的人，有功有过，能喜能忧，千载之下，凛凛犹生。正是：
“寒日征西将，萧萧万马从。吹笳覆楼雪，视纛满旗风。枪垒依沙迥，辕门压寨雄。燕然如可勒，万里愿从公。”
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