到機會；率領部屬逃離了匈奴。他們向西急行幾十天；這是一次極為艱苦的行軍。大戈壁灘上；飛沙走石；熱浪滾滾；蔥嶺高如屋脊；冰雪皚皚；寒風刺骨。沿途人煙稀少；水源奇缺。加之匆匆出逃；物資準備又不足。張騫一行；風餐露宿；備嘗艱辛。乾糧吃盡了；就靠善射的堂邑父射殺禽獸聊以充飢。不少隨從或因飢渴倒斃途中；或葬身黃沙、冰窟；獻出了生命。
最終張騫一行讓溫妮越過蔥嶺；到了大宛；向大宛國王說明了自己出使月氏的使命和沿途種種遭遇；希望大宛能派人相送；並表示今後如能返回漢朝；一定奏明漢皇；送他很多財物；重重酬謝。
大宛王本來早就風聞東方漢朝的富庶；很想與漢朝通使往來；但苦於匈奴的中梗阻礙；未能實現。漢使的意外到來；使他非常高興。張騫的一席話；更使他動心。於是滿口答應了張騫的要求；熱情款待後；派了嚮導和譯員；由大宛介紹；又透過康居；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：一是在伊犁河畔受到烏孫的攻擊；又一次向西遠徙。
烏孫也是個“行國”；曾在敦煌一帶遊牧；受過大月氏的攻擊。後來匈奴支援烏孫遠襲大月氏；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；還由於這裡土地肥沃；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一年多；得不到結果；只好歸國；回國途中；又被匈奴拘禁一年多。後來匈奴內亂；張騫才乘機脫身回到長安。
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瞭解；為漢朝開闢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；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一次戰役。
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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一帶；跟漢共同抵抗匈奴。
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採納。
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“數千鉅萬”；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。
元鼎二年張騫回來；烏孫派使者幾十人隨同張騫一起到了長安。此後；漢朝派出的使者還到過安息、身毒、奄蔡、條支、犁軒；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；張騫回到漢朝後；拜為大行令；第二年死去。他死後；漢同西域的關係進一步發展。
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。從敦煌；出玉門關；進入新疆；再從新疆連線中亞細亞的一條橫貫東西的通道；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絡起來；促進了它們之間的政治；經濟和軍事；文化的交流。