未能说服大月氏，张骞只好带着有异域风情的种种见闻准备返回汉朝复命。返程中经过匈奴地界，又被扣押了一段时间，幸好匈奴发生内乱，他们才得以逃出来回到长安。
张骞出使西域，在外面风餐露宿足足过了十三年才回来。汉武帝非常感动，赞赏他立了大功，封他做太中大夫。
张骞把西域各国的情况向汉武帝作了详细的报告。他说在大夏看见邛山（在今四川省）出产的竹杖和蜀地（今四川成都）出产的细布。当地的人说这些东西都是商人从天竺（就是现在的印度）贩去的。根据这个情况，张骞认为，既然天竺可以买到蜀地的东西，一定离蜀地不远。
听到张骞的叙述，汉武帝又想去结交天竺。于是，他又派张骞为使者，让张骞带着礼物从蜀地出发，去结交天竺。
张骞把人马分为四队，分头去找天竺。可四路人马走了两千里地，都无功而返。但是，往南走的那队人马绕过昆明，来到滇越，结交了滇越的国王。滇越国王的上代原是楚国人，已经有好几代跟中原隔绝了，看到汉朝使臣非常高兴。
张骞回到长安，汉武帝认为他虽然没有找到天竺，但是结交了一个一直没有联系过的滇越国，也很满意。
后来，一直很强悍的匈奴被汉朝大将卫青、霍去病消灭了主力，匈奴逃往大沙漠北面。西域一带许多国家看到匈奴失了势，便不再愿意向匈奴进贡纳税。趁此良机，汉武帝再派张骞去西域。
公元前119年，张骞拿着汉朝的旌节，带着几个副手和三百个勇士，每人两匹马，还带着一万多头牛羊、黄金、钱币、绸缎、布帛等礼物去结交西域。
张骞一行到了乌孙（在新疆境内），乌孙王出来迎接，张骞送了他一份厚礼，建议两国结为亲戚，共同对付匈奴。可乌孙王不知道汉朝兵力有多强，只知道汉朝离乌孙很远。他很矛盾，既想得到汉朝的帮助，又怕得罪匈奴。对于联手对付匈奴这件事，乌孙君臣商议了几天，还是决定不下来。
张骞恐怕耽误时间，便让副手们带着礼物，分别去联络大宛、大月氏、于阗（在今新疆和田一带）等国，乌孙王为协助张骞副手们的工作，还派了几个翻译帮助他们。
张骞的副手们去了好些日子也没回来。乌孙王先送张骞回到长安，并且派几十个人跟张骞一起到长安参观，还带了几十匹高头大马送给汉朝。
汉武帝见张骞带回了西域的人，很满意，又看见乌孙王送的大马，心里更是格外高兴，他特别优待了乌孙使者。
过了一年，张骞派到西域各国去的副手陆续回到长安，可是张骞却害病死了。副手们把到过的地方合起来一算，总共到过三十六个国家。
打那以后，汉朝和西域各国建立了友好交往，汉武帝每年都派使节去西域各国访问。西域派到汉朝的使节和商人也络绎不绝。中国的丝织品经过西域运到西亚，再转运到欧洲，后来人们把这条路线称作“丝绸之路”。张骞的美名也永远记载在中国的史册上。
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