張騫終於找到機會率領部屬逃離了匈奴。他們向西急行幾十天，越過蔥嶺，到了大宛(今烏茲別克***和國境內)。由大宛介紹，又通過康居(今哈薩克***和國東南)，到了大夏。大夏在今阿姆河流域。張騫這才找到了大月氏。十多年來，大月氏這個“行國”已發生了很大變化：壹是在伊犁河畔受到烏孫的攻擊，又壹次向西遠徙。烏孫，63萬人，也是個“行國”，曾在敦煌壹帶遊牧，受過大月氏的攻擊。後來匈奴支持烏孫遠襲大月氏，大月氏被迫遷到阿姆河畔，而烏孫卻在伊犁河留住下來。自從大月氏到了阿姆河，不僅用武力臣服了大夏，還由於這裏土地肥沃，逐漸由遊牧生活，改向農業定居，無意東還，再與匈奴為敵。張騫在大月氏逗留了壹年多，得不到結果，只好歸國。回國途中，又被匈奴拘禁壹年多。公元前126年，匈奴內亂，張騫乘機脫身回到長安。
張騫出使時帶著100多人，歷經13年後，只剩下他和堂邑父兩個人回來。這次出使，雖然沒有達到原來的目的，但對於西域的地理、物產、風俗習慣有了比較詳細的了解，為漢朝開辟通往中亞的交通要道提供了寶貴的資料。
張騫回來以後，向武帝報告了西域的情況。這就是《漢書·西域傳》資料的最初來源。之後，由於張騫隨衛青出征立功，“知水草處，軍得以不乏”，被武帝封為“博望侯”。
元狩四年(公元前119年)，張騫第二次奉派出使西域。這時，漢朝業已控制了河西走廊、積極進行武帝時對匈奴最大規模的壹次戰役。幾年來漢武帝多次向張騫詢問大夏等地情況，張騫著重介紹了烏孫到伊犁河畔後已經與匈奴發生矛盾的具體情況，建議招烏孫東返敦煌壹帶，跟漢***同抵抗匈奴。這就是“斷匈奴右臂”的著名戰略。同時，張騫也著重提出應該與西域各族加強友好往來。這些意見得到了漢武帝的采納。
張騫率領300人組成的使團，每人備兩匹馬，帶牛羊萬頭，金帛貨物價值“數千巨萬”，到了烏孫，遊說烏孫王東返，沒有成功。他又分遣副使持節到了大宛、康居、月氏、大夏等國。元鼎二年(公元前115年)張騫回來，烏孫派使者幾十人隨同張騫壹起到了長安。此後，漢朝派出的使者還到過安息(波斯)、身毒(印度)、奄蔡(在鹹海與裏海間)、條支(安息屬國)、犁軒(附屬大秦的埃及亞歷山大城)，中國使者還受到安息專門組織的二萬人的盛大歡迎。安息等國的使者也不斷來長安訪問和貿易。從此，漢與西域的交通建立起來。
元鼎二年(公元前115年)，張騫回到漢朝後，拜為大行令，第二年死去。他死後，漢同西域的關系進壹步發展。元封六年(公元前105年)，烏孫王以良馬千匹為聘禮向漢求和親，武帝把江都公主細君嫁給烏孫王。細君死後，漢又以楚王戊孫女解憂公主嫁給烏孫王。解憂的侍者馮鐐深知詩文事理，做為公主使者常持漢節行賞賜於諸國，深得尊敬和信任，被稱為馮夫人。由於她的活動，鞏固和發展了漢同烏孫的關系。神爵三年(公元前60年)，匈奴內部分裂，日逐王先賢撣率人降漢，匈奴對西域的控制瓦解。漢宣帝任命衛司馬鄭吉為西域都護，駐守在烏壘城(今新疆輪臺東)，這是漢朝在蔥嶺以東，今巴爾喀什湖以南的廣大地區正式設置行政機構的開端。
匈奴奴隸主對西域各族人民的剝削、壓迫是極其殘酷的。西漢的封建制度，較之匈奴的奴隸制度要先進得多。因此，新疆境內的各族人民都希望擺脫匈奴貴族的壓迫，接受西漢的統治。西漢政府在那裏設置常駐的官員，派去土卒屯田，並設校尉統領，保護屯田，使漢族人民同新疆各族人民的交往更加密切了。
漢通西域，雖然起初是出於軍事目的，但西域開通以後，它的影響，遠遠超出了軍事範圍。從西漢的敦煌，出玉門關，進入新疆，再從新疆連接中亞細亞的壹條橫貫東西的通道，再次暢通無阻。這條通道，就是後世聞名的“絲綢之路”。“絲綢之路”把西漢同中亞許多國家聯系起來，促進了它們之間的經濟和文化的交流。由於我國歷代封建中央政府都稱邊疆少數民族為“夷”，所以張騫出使西域成為漢夷之間的第壹次文化交融。西域的核桃、葡萄、石榴、蠶豆苜蓿等十幾種植物，逐漸在中原栽培。龜茲的樂曲和胡琴等樂器，豐富了漢族人民的文化生活。漢軍在鄯善、車師等地屯田時使用地下相通的穿井術，習稱“坎兒井”，在當地逐漸推廣。此外，大宛的汗血馬在漢代非常著名，名曰“天馬”，“使者相望於道以求之”。那時大宛以西到安息國都不產絲，也不懂得鑄鐵器，後來漢的使臣和散兵把這些技術傳了過去。中國蠶絲和冶鐵術的西進，對促進人類文明的發展貢獻甚大。