他向武帝上書，請求讓他去“鑿空”西域，探索這片未知的國度，完成斷匈奴右臂的戰略構想。
武帝聞訊大喜，當即任命張騫為漢廷正使，持漢節代表大漢天子出使大月氏。
稍做安排後，張騫拜別武帝，以一個被稱為堂邑甘父（簡稱堂邑父，堂邑為姓，甘父為名）的匈奴人為向導，率領一支一百多人的使團，西出長安，躊躇滿誌地踏上這條生死未卜、前途茫茫的西方出使之路。
司馬遷在《史記》中稱這一次出使為“鑿空”，古人對此有過許多解釋：“鑿，開；空，通也。
騫開通西域道。”
“謂西域險厄，車無道路，今鑿空而通之也”。
近人則釋其為“探險”，義似更佳。
張騫一行進入河西走廊地區不久，便與大隊匈奴騎兵遭遇，被生俘。
匈奴人看出他們的儀仗規格非同一般，便把張騫等人押送至單於龍廷。
幾經拷問，使團中有人把出使大月氏的事給說了出來，單於聽罷仰天大笑：“大月氏人在我們背後為患，我怎麼會放你們這些大漢使節去和他們聯絡呢？
我倒也想與你們大漢國南方的南越聯絡，大漢難道會同意嗎？”
結果，使團人員全被扣留下來，單於下令對他們嚴加監管，不允許他們隨意活動。
鬥轉星移，歲月如梭。
張騫一行被扣匈奴已好多年了，匈奴人為打消他逃走的念頭，還把一個匈奴女子嫁給他，他們的兒子也漸漸長大了。
匈奴人估計他沒有什麼想法了，也就逐漸放鬆了對他的監視。
但張騫心裏西去大月氏的想法卻始終沒有消失，相反更強烈起來，終於有一次，他瞅準機會，召集了殘存的部眾，縱馬向西狂奔，逃出了匈奴控製區，進入了他朝思暮想的那片神奇的未知地帶——西域。
在今塔克拉瑪幹沙漠周圍，因為天山和昆侖山融雪滋潤，分布著許多綠洲。
在西漢時代，當地以大小不等的綠洲聯盟為基礎形成了三十多個小國家。
在沙漠南緣，昆侖山北麓，有樓蘭、
羌、且末、於闐、莎車、疏勒等國；在沙漠北沿，天山南麓，則是姑師、尉犁、焉耆、龜茲、溫宿、姑墨等國。
這些沙漠中的綠洲國麵積都不大，人口比漢也少得多。
最大的龜茲國才不過八九萬人。
這些小國既有農業也有牧業，出產五穀、葡萄、石榴，還有苜蓿來喂養駿馬。
由於國小勢弱，它們大都受匈奴控製。
張騫一行冒險西進，克服了許多意想不到的困難，有時在沙漠中斷糧不得不靠射殺禽獸來充饑解渴，不少人倒在沙漠之中，再沒有起來。
終於，他們翻越了蔥嶺，到達了一個名叫“大宛”的國度。
大宛國王早聽說東方有個大漢王朝，物產豐富，隻是一直沒有機會交往，不想卻在這裏見到大漢使節，自然十分高興。
張騫詢問大宛王是否知道去大月氏人居地的道路，並允諾返漢後定厚贈財物以報答。
大宛王立即派人送張騫一行上路，他們經康居到達大月氏。
看到這片讓他們飽受磨難、曆盡艱辛的魂縈夢係的神奇土地，殘存的使團每個人都欣喜若狂。
然而張騫他們的激動與興奮不久就又被熄滅了。
當初大月氏人在其王被匈奴殺害後，就擁立其王後（一說太子）為新王，舉國西遷，征服了大夏等地，並以統治者的身份在這片富饒的土地上定居下來。
大夏故地土質肥沃，周邊又無強敵滋擾，經過幾十年的安居樂業，大月氏舉國上下都已淡忘了當初與匈奴的仇怨。
“誌安樂，又自以遠漢，殊無報胡之心”因此對張騫提出的東返河西，對匈奴尋仇並不感興趣。
張騫等在該地區遊說、活動了近一年終不得要領，無奈與失望之餘隻好又踏上東歸故國的行程。
張騫出使西域路線圖為避免再被匈奴人俘獲，他們這次選擇了靠南部的線路，取道羌中返漢。
但不想卻又被當地親匈的羌族貴族抓獲，送到匈奴，這一次匈奴可不敢大意了，對他們更嚴加看管，並分散到各處。
一年之後，匈奴單於暴病而亡，各部貴族為爭奪單於位而發生內訌，趁匈奴一片混亂之後，張騫冒死再次出逃。
公元前１２６年，張騫與他在匈奴所娶的胡妻及忠實的向導堂邑父三人一同返回長安。
當初那支西漢帝國首先派往西域的百餘人使團，隻有他們幾個得還。
鑿空之行，其凶險可想而知。
這年四月，武帝在未央宮隆重召見張騫，聽他講述了１３年以來的驚險與艱辛以及富有傳奇色彩的經曆。
武帝深為張騫那種勇敢進取、堅貞不屈的精神所感動，於是封張騫為太中大夫，後又任其為校尉，隨當時的大將軍衛青出擊匈奴，作戰有功又封其為博望侯。
此後，博望侯就幾乎成了張騫及出使西域使節的代名詞。
張騫憑借其過人的勇敢與堅韌，終於為自己贏得了成功與聲望。
雖然武帝起初聯合大月氏共擊匈奴的設想由於種種因素而未能實現，但十三年杳無音信的使節複返長安仍是一件極具震動的新聞，是一次前無古人的探險壯舉。
最重要的是，張騫以其親身經曆，帶回了他所收集的大量有關西域政治、經濟、文化、外交等方麵的珍貴的第一手資料，驅散了以前籠罩於西域的一切迷霧與神話。
這對於西漢王朝擴大其勢力範圍，加大其影響，密切與西方的交流是極為重要的。
張騫出使西域為武帝謀求向外發展提供了兩個方向：一是通河西，達西域，爭取烏孫等綠洲王國的支持，使匈奴在西部的勢力受到牽製，進而切斷羌中與匈奴的聯係，斷絕匈奴在西域方麵的經濟來源，從而起到“斷匈奴右臂”的作用。
遠可結交大宛、條支，近可綏服樓蘭、車師，從而廣播大漢威儀。
二是取道蜀東、滇漢·張騫墓越等地，南結身毒（今印度），再經身毒往大夏，使這些異邦成為漢之親善國家，或充當外藩臣。
武帝對此很是重視，而事實也證明，在以後西漢王朝的開發過程中，對西南、西北兩個方向基本上是沿著博望侯的設想進行的。
張騫不僅是漢西部開發的先行者，同時也是西漢王朝西域戰略的政策奠基人！
三、絲綢之路的開通
武帝元狩四年（前１１９），在與匈奴戰爭取得決定性勝利後不久，武帝便開始把謀求發展的目光投向西域。
而此前不久，張騫卻因在戰爭中誤期“當斬”而出錢贖為庶人，生活雖然還過得去，但博望侯的爵稱卻失去了。