张骞答：“我要出使月氏，没想到中途匈奴人阻道。现在我逃出来了，希望国王派人送我去月氏。如果你这样做了，我回汉朝后告诉汉王，汉王定会用很多财物感谢你。”大宛国王满口答应，派人把张骞护送到康居，由康居转送大月氏，到大月氏以后，发现情况有变化。老国王被匈奴人杀害，立太子为王，征服了大夏。新国王认为，大月氏土地肥美，人民安居乐业，而且离汉朝太远，没有必要定要报复匈奴。
张骞没辙，又从大月氏回大夏。远朔元年(公元前128年)，张骞取道昆仑山北麓，青海柴达木盆地的羌族居住区回国。由于羌族被匈奴控制，张骞在东归返回的途中，再次被匈奴抓获，后又趁匈奴内乱逃回长安，历尽千辛万苦，前后用了十三年时间。出发时带着随从一百人，返回时，只剩甘父一人同行，付出了很高的代价。为了表彰张骞的功绩，汉武帝封他为太中大夫，堂邑父为奉使君。
张骞出使西域，经历了许多国家，知道了西域的许多情况。他第一次以汉朝使者的身份，与西域的一些国家交往，沟通了汉朝与西域各国之间的联系。历史上称他的这次出使是“凿空(孔)”，意思是张骞打通了中原通往西域的孔道。这次出使虽然没有达到汉武帝要求的政治目的，但是通过他的旅行观察，却获得了有关西域各国极为丰富的地理知识。使生活在中原内地的人们了解到西域的实况，张骞把这些地理知识写成报告上奏汉武帝，后来司马迁即据此写成了(大宛列传)，得以保存至今。张骞出使西域，激发了汉武帝“拓边”的雄心，发动了一系列抗击匈奴的战争。
元朔六年(公元前123年)，由于张骞出使西域与匈奴作战有功，被汉武帝封为博望候。元狩元年(公元前122年)，张骞又向汉武帝报告：“大臣大夏时，见邛竹杖，蜀布。问悦：‘安得此?’大夏国人悦：‘吾贾人往市之身毒。身毒在大夏东南可数千里，其俗士著，大与大夏同，而卑温暑热云。其人民乘象以战，其国临大水焉。’以骞度之，大夏去汉万二千里，居汉西南。今身毒国又居大夏东南数千里，有蜀物，此其去蜀不远矣。今使大夏，从羌中，险，羌人恶之;少北，则为匈奴所得;从蜀宜径，又元寇。”