张骞在大月氏逗留了一年多，得不到结果，只好归国，回国途中，又被匈奴拘禁一年多。后来匈奴内乱，张骞才乘机脱身回到长安。

张骞出使时带着100多人，历经13年后，只剩下他和堂邑父两个人回来。这次出使，虽然没有达到原来的目的，但对于西域的地理、物产、风俗习惯有了比较详细的了解，为汉朝开辟通往中亚的交通要道提供了宝贵的资料。

张骞回来以后，向武帝报告了西域的情况。这就是《汉书·西域传》资料的最初来源。之后，由于张骞随卫青出征立功，“知水草处，军得以不乏”，被武帝封为“博望侯”。

元狩四年，张骞第二次奉派出使西域。这时，汉朝业已控制了河西走廊、积极进行武帝时对匈奴最大规模的一次战役。

几年来汉武帝多次向张骞询问大夏等地情况，张骞着重介绍了乌孙到伊犁河畔后已经与匈奴发生矛盾的具体情况，建议招乌孙东返敦煌一带，跟汉共同抵抗匈奴。

这就是“断匈奴右臂”的著名战略，同时，张骞也着重提出应该与西域各族加强友好往来，这些意见得到了汉武帝的采纳。

张骞率领300人组成的使团，每人备两匹马，带牛羊万头，金帛货物价值“数千巨万”，到了乌孙，游说乌孙王东返，没有成功。他又分遣副使持节到了大宛、康居、月氏、大夏等国。

元鼎二年张骞回来，乌孙派使者几十人随同张骞一起到了长安。此后，汉朝派出的使者还到过安息、身毒、奄蔡、条支、犁轩，中国使者还受到安息专门组织的二万人的盛大欢迎。安息等国的使者也不断来长安访问和贸易，从此，汉与西域的交通建立起来。

元鼎二年，张骞回到汉朝后，拜为大行令，第二年死去。他死后，汉同西域的关系进一步发展。

汉通西域，虽然起初是出于军事目的，但西域开通以后，它的影响，远远超出了军事范围。从敦煌，出玉门关，进入新疆，再从新疆连接中亚细亚的一条横贯东西的通道，再次畅通无阻。

这条通道，就是后世闻名的“丝绸之路”。“丝绸之路”把西汉同中亚许多国家联系起来，促进了它们之间的政治，经济和军事，文化的交流。

由于华夏历代王朝都称边疆少数民族为“夷”，所以张骞出使西域促进了汉夷之间的第一次文化交融。

西域的核桃、葡萄、石榴、蚕豆苜蓿等十几种植物，逐渐在中原栽培。龟兹的乐曲和胡琴等乐器，丰富了汉族人民的文化生活。汉军在鄯善、车师等地屯田时使用地下相通的穿井术，习称“坎儿井”，在当地逐渐推广。

此外，大宛的汗血马在汉代非常著名，名曰“天马”，“使者相望于道以求之”。那时大宛以西到安息国都不产丝，也不懂得铸铁器，后来汉的使臣和散兵把这些技术传了过去。中国蚕丝和冶铁术的西进，对促进人类文明的发展贡献甚大。

元封六年，乌孙王以良马千匹为聘礼向汉求和亲，武帝把江都公主细君嫁给乌孙王。细君死后，汉又以楚王戊孙女解忧公主嫁给乌孙王。

神爵三年，匈奴内部分裂，日逐王先贤掸率人降汉，匈奴对西域的控制瓦解。汉宣帝任命卫司马郑吉为西域都护，驻守在乌垒城，这是汉朝在葱岭以东，今巴尔喀什湖以南的广大地区正式设置行政机构的开端。