我国西汉武帝之前的皇帝都对西域的游牧民族匈奴采取和亲政策，至汉武帝时，国力充沛，极欲讨伐匈奴，一雪数十年来和亲的耻辱。汉武帝为实行东西夹击匈奴的战略，先后两次派张骞出使西域。
公元前139年，张骞率领100余人从陇西出发，向西域进发。在西行途中，被匈奴俘获，被扣留10年。后来匈奴内乱，得机脱身，西至大宛。
当时大月氏已臣服于匈奴，无复仇之意，结盟事不得要领，张骞居岁余而归。在归途中经过羌中，又被匈奴俘获，扣留了一年多，其后张骞乘匈奴内乱回到长安。
公元前119年，匈奴为汉军所打败，汉武帝再命张骞出使西域。
张骞率使团300人，带备金银、玉帛至乌孙，想说服乌孙与汉结盟，借此牵制匈奴。但因乌孙不知汉朝虚实，又臣服匈奴已久，故不敢与匈奴为敌。
后来乌孙及其他各国使臣随同张骞回国。西域国家也分遣使者陆续来到汉都长安。乌孙使臣目睹汉朝殷实，因此与汉朝结盟。
张骞出使西域所经过的路线，主要是我国和欧洲之间的内陆亚洲地区。
在这条路线上，地理特征是气候异常干燥，降雨量极其稀少。其间有号称“世界屋脊”的帕米尔高原，以帕米尔高原为中心，向四周延续出喜马拉雅山、昆仑山、喀喇昆仑山、天山、阿尔泰山、阿赖山、兴都库什山等山脉，冰峰峡谷，行走艰难。
这条路线的另一富有特色的地貌和景观是沙漠和戈壁。如新疆的塔克拉玛干大沙漠、里海东部的卡拉库姆沙漠、伊朗的卡维尔沙漠等，对于行旅来说，更是一段干渴难行的艰苦旅程。
此外，由盐壳沉积而形成的崎岖起伏、犬牙交错的雅丹地貌，也是一个重要的地理障碍。面对这样的地理环境，张骞先后两次出使西域，勇敢面对艰险，表现出了超人的智慧和胆识。
张骞在留居匈奴期间，西域的形势后来发生了变化。张骞脱身之后，带领大汉使团经车师时没有向西北伊犁河流域进发，而是折向西南，进入焉耆。再沿塔里木河西行，过库车、疏勒等地，翻越葱岭，直达大宛。路上经过了异常艰苦地跋涉。
这是一次极为艰苦的行军。大戈壁滩上，飞沙走石，热浪滚滚；葱岭高如屋脊，冰雪皑皑，寒风刺骨。沿途人烟稀少，水源奇缺。加之匆匆出行，物资准备又不足。
张骞一行，风餐露宿，备尝艰辛。干粮吃尽了，就靠擅长狩猎的堂邑父射杀禽兽用以充饥。不少随从或因饥渴倒毙途中，或葬身黄沙、冰窟，献出了生命。
张骞第一次出使西域，既是一次极为艰险的外交旅行，同时也是一次卓有成效的科学考察。他对广阔的西域进行了实地的调查研究工作，不仅亲自访问了地处新疆的各小国和中亚的大宛、康居、大月氏和大夏诸国，而且从这些地方又初步了解到乌孙、奄蔡、安息、条支、身毒等国的许多情况。
返回长安后，张骞将其见闻，向汉武帝作了详细报告，对葱岭东西、中亚、西亚，以至安息、印度诸国的位置、特产、人口、城市、兵力等，都作了说明。
这个报告的基本内容为西汉史学家司马迁在《史记·大宛传》中保存下来。这是我国和世界上对于这些地区第一次最翔实可靠的记载。至今仍是世界上研究上述地区和国家的古地理和历史的最珍贵的资料。
张骞第二次出使西域时，曾经分遣副使持节到了大宛、康居、月氏、大夏等国。此后，汉代朝廷派出的使者沿着张骞开辟的路线到过安息、身毒、奄蔡、条支、犁轩。我国使者还受到安息专门组织的20000人的盛大欢迎，安息等国的使者也不断来长安访问和贸易。
张骞通使西域，使我国当时的影响直达葱岭东西。后来的班超再度西行，正是沿着张骞的足迹，走出了誉满全球的“丝绸之路”。自此，不仅打通了中原与西域的交通孔道，而且我国同中亚、西亚，以至南欧的直接交往也建立和密切起来。
