大宛的形跡，是從張騫時開始發現了解的。張騫，是漢中人，建元年間被選爲郎官。當時天子向投降的匈奴人詢問情況，都說匈奴將月氏王打敗，用他的頭顱當作飲酒的器皿，月氏人逃得很遠，心中一直對匈奴非常怨恨，但是沒有人和他們聯合起來攻打匈奴。當時漢朝正打算滅掉匈奴，聽到了這些情況，就想派使者聯繫月氏人。但是，前往月氏必須要經過匈奴境內，於是朝廷就招募一位能夠擔當使者的人。張騫便以郎官的身份去應徵，被派出使月氏，他和堂邑侯家的一個名叫甘父的匈奴奴隸一起從隴西出發了。在路過匈奴境內的時候，他們被匈奴人抓住，送到了單于那裡。單于將他們扣留，說道：「月氏在我的北面，漢朝怎麼能派使者去呢？我想派人出使越池，漢朝能聽任我這樣做麼？」就這樣張騫被匈奴扣留羈押了十多年，匈奴人給他娶妻，還生了兒子，但是張騫手握漢朝的節杖沒有失去。
在匈奴居留期間，匈奴對他的看管越來越松，張騫於是就抓住一個機會，帶著隨從逃往月氏。他們向西走了幾十天，終於到了大宛。大宛王早就聽說過漢朝物產富饒，想要和漢朝來往但卻一直沒能如願，因此他見了張騫很高興，就問他道：「你要到哪裡去？」張騫回答：「我作爲漢朝的使者要出使月氏，卻被匈奴人扣留。如今我逃了出來，希望大王您派人爲我引路，送我去月氏。如果我能到那裡，在返回漢朝之後，漢朝肯定會送給您數不勝數的財物。」大宛王表示贊同，就派人一路護送張騫前往康居，同時還安排了嚮導和翻譯。到達康居後，康居又輾轉將張騫送到大月氏。當時大月氏王已經被匈奴所殺，他的太子被立爲王。將大夏國征服以後，月氏人在那裡定居下來，那裡土地肥沃，物產豐富，又很少有賊寇，百姓安居樂業，大月氏王認爲自己離漢朝太遠了，所以沒有一點兒想向匈奴復仇的意思。張騫從月氏到大夏，沒能掌握月氏的真正動向。
張騫在月氏停留了一年多，然後回國。他沿著南山東行，打算從羌人地區穿過回到長安，但是又被匈奴人抓住。他又在匈奴滯留了一年多，單于去世了，左谷蠡王出兵攻打單于的太子，自立爲單于。匈奴發生了內亂，於是張騫帶著自己的匈奴妻子還有堂邑父一同逃回了漢朝。漢朝任命張騫爲太中大夫，堂邑父爲奉使君。
張騫爲人堅強有毅力，待人寬厚，讓人信服，所以蠻夷人都喜歡他。堂邑父原本是胡人，擅長射箭，陷入困頓的時候就射些飛禽走獸充飢。當初，張騫出發的時候有一百多人，離開十三年，只有他和堂邑父兩人回來了。
張騫親自去過的地方有大宛、大月氏、大夏、康居，還聽說這些國家周圍還有五、六個大國，他把這些情況一一向天子匯報。張騫說：
大宛在匈奴的西南方，在漢朝的正西方，距離漢朝約有一萬里。他們的習俗是定居，耕田，種植稻和麥。釀有葡萄酒。當地出產良馬，馬出汗如血，它們的祖先是天馬之子。他們那裡建有城鎮和住屋。歸屬於大宛的城池大大小小有七十多座，百姓約有幾十萬。他們使用的兵器是弓和矛，擅長騎馬射箭。大宛的北邊是康居，西面是大月氏，西南邊是大夏，東北邊是烏孫，東面是扜罙、於窴。於窴的西邊，水都向西流，注入青海湖；於窴東邊的水則都向東流，注入鹽澤。鹽澤的水在地下潛行，它的南邊就是黃河的源頭。那裡盛產玉石，黃河水流向中原。樓蘭、姑師這些地方都建有城郭，靠近鹽澤。鹽澤距離長安約有五千里。匈奴的右翼占據著鹽澤以東的土地，一直到隴西長城，南邊和羌接壤，阻住了漢朝西去的道路。
烏孫位於大宛的東北約二千里的地方，那裡的人民不定居，過著遊牧的生活，和匈奴的習俗相同。有幾萬名弓箭手，勇勐善戰。以前烏孫臣服匈奴，後來逐漸強大了起來，就和匈奴保持著名義上的隸屬關係，卻再也不願去朝拜匈奴了。
康居位於大宛西北邊大約二千里的地方，那裡的人民不定居，在習俗上和大月氏基本相同。有八九萬名弓箭手，和大宛國相鄰。國家很小，南邊臣服於月氏，東邊臣服於匈奴。
奄蔡位於康居西北方大約二千里的地方，那裡的人民不定居，和康居的習俗基本相同。有十餘萬弓箭手，緊鄰一望無際的大窪地，沒有山崖，大概那就是北海吧。
大月氏位於大宛西邊約二三千里的地方，靠近嬀水的北面。它的南邊是大夏，西邊是安息，北邊是康居。百姓不定居，跟隨牲畜遷徙，和匈奴風俗相同。約有一二十萬弓箭手。大月氏曾經很強大，輕視匈奴，等到冒頓被擁立爲單于時，匈奴打敗了月氏。到了老上單于時，匈奴將月氏王殺死，用他的頭顱作爲飲酒器皿。原本月氏在敦煌、祁連之間生活，後來爲匈奴打敗，於是遷到更遠的地方，經過宛，向西進攻大夏並使它臣服，於是就在嬀水的北面建都，並設立王庭。沒有跟著西行的一小部分人，留下來守衛著南山和羌人居住的地方，被稱爲小月氏。
安息位於大月氏西邊約幾千里的地方。那裡的百姓過著定居的生活，耕田，種植稻和麥，釀有葡萄酒。安息的城鎮和大宛一樣。附屬於它的城鎮大大小小有幾百座，國土方圓幾千里，是最大的國家。安息緊挨著嬀水，有集市，百姓經商用車輛和船隻運送貨物到附近的國家甚至是幾千里以外的地方。安息這個國家用銀作爲貨幣，錢幣上鑄有國王的肖像，國王死了就要更換錢幣，再鑄上新國王的肖像。在皮革上橫著寫書信、做記錄。安息的西邊是條枝，北邊有奄蔡、黎軒。
條枝位於安息西面幾千里的地方，臨近西海。氣候炎熱、潮溼。百姓從事農耕，種植水稻。那裡出產一種大鳥，產的蛋大如酒甕。人口很多，一般有小君主，在安息的役使管轄之下，將它們視爲外圍國家。條枝的國人擅長魔術。安息長老相傳條枝有弱水、西王母，但是從來沒有見過。
大夏位於大宛西南面二千多里的地方，在嬀水的南邊。那的百姓過著定居的生活，建有城郭住屋，和大宛的習俗相同。這裡也沒有大君主，往往是在城邑設有小君主。這個國家軍事力量很弱小，害怕打仗。這裡的人善於經商。後來大月氏西遷的時候，將它打敗，又統治了整個大夏國。大夏人口很多，大約有一百多萬。大夏的國都叫藍市城，有販賣各種貨物的集市。大夏國的東南邊有身毒國。
張騫說：「我在大夏的時候曾經見到邛地的竹杖、蜀地的布料。我問他們說：『怎麼得到的這些東西？』大夏國的人說：『我們的商人去身毒買的。身毒位於大夏東南面約幾千里。那兒百姓過著定居的生活，習俗和大夏基本相同，並且地勢低平，氣候潮溼、炎熱。那裡的人騎著大象作戰。那個國家國土緊靠著一條大河』。根據我的推測，大夏距離漢朝一萬二千里，在漢朝的西南邊。現在身毒國又在大夏東南面幾千里，那裡有蜀地的物產，那麼它與蜀郡相距不會太遠。如今出使大夏，從羌人居住區經過，道路難行，羌人又厭惡這樣的做法；要是稍稍偏北一些，恐怕會被匈奴人抓住；從蜀郡走應該是最爲方便的路，而且沒有強盜。」天子聽說大宛和大夏、安息這些都是大國，有很多奇珍異寶，百姓過著定居的生活，與漢朝人的生活很相像，同時軍事力量又很薄弱，又希望得打漢朝的財物；北邊的大月氏、康居這些國家，軍隊強大，可以通過饋贈利誘來讓它們朝拜。況且如果真的能通過道義讓它們歸屬，又能夠開拓萬里疆土，經過多重翻譯，招致風俗各異的國家，漢朝天子的聲威和恩德就會遍及四海。天子很高興，認爲張騫的話很有道理，就命令張騫從蜀郡的犍爲祕密派出使者，分四路同時出發：一路從駹出發，一路從冉出發，一路由徙起程，一路由邛、僰起程，每一路都行走一二千里。結果北方那一路受阻於氐、筰，南方那一路受阻於嶲、昆明。昆明那裡沒有君主，強盜橫行，常常殺害、掠奪漢朝的使者，漢朝使者最終沒有能夠通過。但是，聽說昆明西邊約一千多里地方，有個騎象的國家，名叫滇越，而蜀地的商人私下偷運貨物出境販賣時，有人去過那裡，於是漢朝爲了尋找通往大夏的道路，就開始和滇國往來。當初，漢朝曾經想過和西南夷溝通，但是因爲花費太多，道路又不暢通，於是只好作罷。等張騫說可以由此溝通大夏時，又再次開始經營溝通西南夷了。
張騫以校尉的身份跟隨大將軍衛青征討匈奴，因爲他知道哪裡有水草，軍隊因此不會陷於睏乏，於是張騫被封爲博望侯。這一年是元朔六年（前123年）。第二年，張騫擔任衛尉，和李廣將軍一同從右北平出發去攻打匈奴。匈奴軍隊圍攻李廣，李廣軍隊損失慘重；而張騫的軍隊因爲耽誤了時間而後至，按律應當被斬首，他花錢贖罪，被貶爲庶民。那一年，漢朝派驃騎將軍霍去病大敗匈奴西域的軍隊幾萬人，兵至祁連山下。第二年，渾邪王率領屬下百姓投降漢朝，從這以後，金城、河西的西邊一直到鹽澤一帶再也看不到匈奴人的蹤跡了。有的時候匈奴會派出偵察兵來，但是這樣的情況也很少。這以後的兩年，漢朝軍隊又在漠北趕走了匈奴單于。
這以後，天子多次向張騫詢問與大夏有關的事。當時張騫已經失去侯爵，於是說道：「我在匈奴的時侯，聽說烏孫王號昆莫，昆莫的父親是匈奴西邊一個小國的國王。匈奴人殺死了他的父親時，昆莫剛剛出生就被拋棄在野外。烏鴉叼著肉在他的上空飛翔，狼跑去給他哺乳。匈奴單于覺得非常奇怪，以爲他是神，於是就收養了他，將他撫養成人。他成年以後，單于又讓他領兵打仗，屢有戰功，單于又將原來屬於他父親的百姓分給他統領，讓他長久地戍守在西邊。昆莫聚集他的部衆，攻占附近的小城鎮，手下有幾萬名弓箭手，作戰嫻熟。匈奴單于死後，昆莫就率領部衆向遠處遷徙，保持中立，不願再去朝拜匈奴。匈奴發動奇兵攻打昆莫，沒有獲勝，就以爲昆莫有神靈相助而遠遠地避開了他，對他還是用籠絡的手段來保持名義上的隸屬關係，也不再發動大的進攻了。現在匈奴單于剛爲漢朝所困，而原來渾邪王的領地又沒人守衛。蠻夷的習俗向來是貪圖漢朝的財物，如果我們現在趁這個時機送給烏孫王大量的金銀，招引他一點點東遷，在原屬渾邪王的土地上居住，和漢朝結爲兄弟，從情勢上看，他應該能同意的，如果他同意，就是將匈奴右臂膀斬斷了。只要聯合上了烏孫，那麼它以西的大夏等國都可以招來而作爲藩臣。」天子認爲他說的有道理，就任命張騫爲中郎將，率領三百人，每人兩匹馬，幾萬隻牛羊，帶著價值幾千萬的錢財、布帛，同時派出很多持節杖的副使，如果道路可通，就派他們到附近的國家出使。
張騫到了烏孫後，烏孫王昆莫接見漢朝使者時採用的是拜見匈奴單于的禮節，張騫心中羞愧且憤怒，他清楚蠻夷的天性就是貪婪，於是說道：「天子贈送禮物，大王如果不拜謝，那就把禮物退回來。」於是昆莫起身拜謝賞賜，其餘的還是一樣。張騫將自己這次出使的意圖和昆莫說了：「如果烏孫能夠向東遷徙到渾邪王的土地上，那麼漢朝就將一位諸侯的女兒嫁到昆莫做夫人。」當時烏孫國已經分裂，國王年紀又大，又與漢朝相距太遠，並不清楚漢朝的大小，他們臣服於匈奴時間已久，與匈奴相距很近，他們的大臣都很懼怕匈奴，不願遷走，國王自己做不了決定。就這樣，張騫沒有得到昆莫的明確表態。昆莫有十多個兒子，其中一個兒子叫大祿，很強悍，善於率領部衆，他帶領一萬多騎兵在別處駐紮。大祿的哥哥是太子，太子有個兒子叫岑娶，而太子很早就去世了。他臨死時對父親昆莫說：「一定要立岑娶爲太子，不可以讓別人替代他。」昆莫很悲傷，就答應了他，最終立岑娶爲太子。大祿因爲自己沒有被立爲太子而憤怒，於是就聯合諸多兄弟，率領部下造反了，打算進攻岑娶和昆莫。昆莫年紀大了，總是擔心岑娶被大祿殺害，於是分給岑娶一萬多騎兵，讓他去別處駐紮，而昆莫還有一萬多騎兵用以自保，他的國家、百姓就這樣被一分爲三，大體名義上還是都歸屬於昆莫，因此昆莫也不敢單獨做主，和張騫定約。
於是張騫又分別派出副使出使大宛、康居、大月氏、大夏、安息、身毒、於窴、扜<生僻字>以及周邊的國家。烏孫國派出嚮導和翻譯送張騫回國，張騫和烏孫派出的使者幾十人，幾十匹馬回國答謝，也趁這個機會讓他們看看漢朝，了解漢朝的強大。
張騫返回朝廷，被任命爲大行，位列九卿。一年多以後，張騫去世。
烏孫的使者看到漢朝人口衆多、物產豐富，回去之後報告給國王，於是烏孫國對漢朝更重視了。這以後一年多，張賽派出使大夏等國的使者，漸漸開始和其他國家的人一同回來，於是西北各國開始和漢朝有了來往。由於這種互通往來是張騫開創的，因此以後出使西域的人都自稱「博望侯」，以此來取得外國的信任，而外國也因此而信任他們。
自從博望侯張騫去世以後，匈奴聽說漢朝和烏孫互通往來，非常生氣，打算攻打烏孫。等到漢朝出使烏孫，並且還從烏孫的南部出發，連續不斷到達大宛、大月氏等國，烏孫於是害怕起來，派出使者向漢朝進獻馬匹，希望能夠娶一位漢朝諸侯的女兒並結成兄弟之國。天子向大臣們徵求意見，大臣們都說「一定要先讓他們送上聘禮，然後才可以把諸侯女兒嫁過去」。起初，天子打開《易》進行占卜，卜辭上說「神馬當從西北來」。漢朝得到了烏孫的好馬，將其命名爲「天馬」。後來又得到了大宛的汗血馬，比烏孫馬更加健壯，於是就將烏孫馬改名爲「西極」，將大宛馬命名爲「天馬」。這時，漢朝開始修築令居以西的長城，又設置酒泉郡，開通和西北各國的交往。又派出更多的使者出使安息、奄蔡、黎軒、條枝、身毒各國。而天子特別喜歡大宛馬，於是出使大宛的使者更是絡繹不絕。那些出使外國的使者，人數多的有幾百人，人數少的也有一百多人，人們所攜帶的東西與博望侯張騫那時大致相同。後來次數多了也就越來越熟悉了，人數也隨之漸漸減少。一年中漢朝要派出去的使者，多的時候有十幾次，少的時候也有五六次。去遠的地方，使者得八九年回來，近的地方也要幾年才返回。
當時漢朝已經將南越滅掉，蜀、西南夷都震驚不小，紛紛派出官員入朝表示誠意。於是漢朝設置了益州、越西、牂柯、沈黎、汶山郡，希望土地相連直到大夏。於是漢朝每年派出包括柏始昌、呂越人等人在內的使者一年有十幾次，從這幾個新設的郡出發前往大夏，但是又都被昆明阻攔，使者被殺，錢物被搶，終究沒能到達大夏。漢朝於是徵發三輔的囚犯，加上巴蜀幾萬名士兵，派郭昌、衛廣兩位將軍，前去攻打昆明攔殺漢朝使者的人，漢軍殺死和俘虜幾萬人後就撤走了。以後漢朝又派出使者，昆明依舊劫掠殺害，通往大夏的道路最終也沒打通。而北邊取道酒泉去大夏的使者已經很多，外國人對漢朝的布帛財物也越來越厭惡了，不再重視這些東西。
自從博望侯張騫憑藉打通和外國的來往道路而尊貴起來，那些後來跟著出使的官吏和士兵爭相上書，講述外國的奇聞異事和奇珍異寶，請求出使。天子認爲外國路途遙遠，不是每個人都願意去的，於是就接受他們的要求，頒給他們使者的符節，招募官吏和百姓時也不再問他們的出身，讓他們聚集人手便派他們前往，廣開出使外國的門路。那些往來出使的人不能不做下侵吞布帛財物的事情，有的甚至背離了出使的宗旨，天子因爲他們熟悉西域情況，所以通常就深究他們的罪行判成重罪，以激勵他們再次出使來立功贖罪。這樣一來，出使的事端無窮無盡，他們也很輕率地就觸犯法律。那些官吏士卒也常常大力稱讚外國的見聞，話說得誇張一點的人就被授予正使，話說得謹慎一點的人就被授予副使，所以那些胡說八道、道德敗壞的人都爭相仿效。那些出使的人出身都很貧窮，將朝廷贈送給西域各國的禮物據爲己有，打算低價出售給外國以謀取私利。外國人也討厭漢朝的使者各執一詞、輕重不一，揣度漢朝軍隊相距太遠，鞭長莫及，於是斷絕了漢朝使者的食物以此刁難。漢朝使者因爲食物斷絕而積怨，以至於相互攻擊。樓蘭、姑師是小國，處於交通要道之上，攻擊劫持漢朝使者王恢等尤其厲害。而匈奴的偷襲騎兵更是經常攔擊出使西域的使者。使者爭相控訴外國的危害，雖然也有城鎮，但是兵力薄弱，容易攻取。於是，天子派從驃侯趙破奴率領屬國騎兵及各郡的幾萬名士兵，來到匈河水邊，想要進攻匈奴，但是匈奴軍隊撤走了。第二年，漢軍攻打姑師，趙破奴率領七百輕騎兵率先到達，俘獲了樓蘭王，就這樣攻陷了姑師。漢軍又挾大勝之餘威圍困烏孫、大宛等國。返回漢朝後，趙破奴被封爲浞野侯。王恢數次出使，吃盡了樓蘭的苦頭，於是將情況匯報給天子，天子派王恢率領軍隊輔佐趙破奴擊破樓蘭，王恢被封爲浩侯。於是漢朝在酒泉修築瞭望台和碉堡，一直修到玉門關。
烏孫用一千匹馬當作聘禮來娶漢朝女子，漢朝派宗室女子江都翁公嫁給烏孫王爲妻，烏孫王昆莫立她爲右夫人。匈奴也送來一個女子嫁給昆莫，昆莫立她爲左夫人。昆莫說「我年老了」，於是讓自己的孫子岑娶江都翁主爲妻。烏孫盛產馬匹，這裡富人家能擁有四五千匹馬。
起初，漢朝使者出使到了安息，安息王派人率領二萬騎兵在東部邊界上迎接。東部邊界距離安息都城有幾千里遠。到達王城，要經過幾十座城鎮，百姓遍布，人口很多。漢朝使者回國，安息也派使者跟著來，看看漢朝領土的廣大，還獻上了大鳥蛋和黎軒的魔術師。至於大宛西邊的小國驩潛、大益，大宛東邊的姑師、扜罙、蘇薤等國，也都派人跟隨漢朝使者來到漢朝，獻上禮物並拜見天子。天子非常高興。
漢朝使者探尋黃河的源頭，黃河的河源在於窴，那裡的山盛產玉石，使者們採運了玉石回來，天子考察古代的圖書，將黃河發源的山命名爲崑崙山。
當時皇上多次巡視沿海地區，每次都讓外國的客人盡數跟隨，只要是人多的大城市就都去經過，還賞賜給他們財物布帛，置辦豐厚的酒肴款待，以此來展示漢朝的富有。舉行摔角比賽，展示奇妙的遊戲和各種奇異的物品，圍觀的人很多，皇上就大肆賞賜，聚酒成池，掛肉成林，讓外國客人參觀各地倉庫里的儲藏物資，以此表現漢朝的博大，讓他們傾慕、吃驚不已。至於魔術技巧的增加，摔角和奇妙的遊戲每年都有新花樣，各種技藝的興旺，都是從這時開始的。
西北地區的外國使者，越發頻繁地往來。大宛以西的國家，都認爲自己離漢朝很遠，還是那樣驕傲放縱，滿不在乎，漢朝也無法用武力使他們折服，只能用禮來籠絡他們。從烏孫以西到安息這些國家，因爲和匈奴很近，匈奴曾經脅迫月氏國，匈奴使者手中拿著單于的一件信物，那麼各個國家都要爲他提供食物，不敢阻留而讓其受一點苦。至於漢朝的使者，自己不出錢就沒有食物，自己不買馬就沒有坐騎。之所以會有這樣的情況，就是因爲這裡離漢朝太遠了，而且漢朝又十分富庶，所以一定要出錢才能得到想要的東西，因爲他們畏懼匈奴的使者勝過漢朝的使者。大宛附近的國家都用葡萄釀酒，富人家裡儲藏的酒多的可達一萬多石，貯藏年代久的幾十年都不會壞。那裡的風俗喜歡飲酒，馬喜歡吃苜蓿。漢朝使者帶回來這些植物的種子，天子就開始在肥沃的土地上種植苜蓿、葡萄。到得到的天馬多了，外國的使者來得多了，那離宮別觀旁邊都種上了葡萄、苜蓿，密密麻麻、一望無際。從大宛以西到安息，各國雖然使用著不一樣的語言，但是風俗基本相同，彼此可以相互了解。那裡人都是眼窩深陷，鬍鬚濃密，很善於做買賣，錙銖必較。當地風俗中女子地位很高，女子說的話就是丈夫做決定的依據。那裡都沒有絲和漆，不懂得如何鑄造錢幣和器皿。直到有漢朝使者和逃亡士卒投降了他們以後，才教給他們製作兵器和器皿的技術。當地人得到了漢朝的黃金、白銀，一般都是用來鑄造器皿，而不是錢幣。
漢朝使者出使西域的多了以後，那些從少年時期就跟著出使國外的大多都向天子進言久了，熟悉了天子，他們和天子說：「大宛在貳師城有好馬，但是卻被他們藏起來，不肯給漢朝使者。」天子特別喜歡大宛馬，聽說這件事後很心動，於是就派壯士車令等人帶著千金和金馬，到大宛國向大宛王換取貳師城的好馬。大宛國中已經有很多漢朝的物品，衆人商議說：「漢朝距離我們很遠，而在鹽澤屢次遭遇失敗，如果從北邊來的話，還會有匈奴侵擾，從南邊來的話又缺少水草。並且途中都沒有城鎮，缺少飲食。漢朝使者每次來幾百人來，常常由於缺少食物而有一半以上的人死去，這樣的情況下，漢朝怎麼能派大批的軍隊前來呢？他們拿我們沒有辦法。況且貳師城的馬，是大宛的寶馬！」於是大宛不肯將馬交給漢朝使者。漢朝使者非常生氣，破口大罵，用椎將金馬砸毀後離開。大宛的貴族官員也很生氣地說道：「漢朝的使者太輕視我們了！」他們遣送漢使者離開，命令大宛東邊的郁成國將漢朝使者攔下並殺死，將使者的財物都搶走了。這時天子大怒。姚定漢等幾位曾經出使過大宛的人說大宛軍事力量薄弱，只需三千漢軍，用強弓勁弩射殺他們，就能將大宛的軍隊全都抓了俘虜。因爲天子曾經讓浞野侯去進攻樓蘭，他率領七百名騎兵先到了樓蘭，就俘獲了樓蘭王，所以天子認爲姚定漢等人的話是正確的，還想封寵姬李氏爲侯，於是封李廣利爲貳師將軍，徵調屬國六千名騎兵，還有各郡國品行不佳的少年幾萬人，由李廣利率領前往征討大宛。天子希望到貳師城獲得好馬，所以封李廣利爲「貳師將軍」。趙始成任軍正，原來的浩侯王恢爲軍隊的嚮導，而李哆任校尉，掌管軍中大事。這一年是太初元年（前104年）。當時關東出現蝗災，蝗災蔓延到西邊的敦煌。
貳師將軍李廣利的軍隊已經向西渡過了鹽澤，沿途的小國都驚恐不已，各自堅守城池，不肯供給食物。漢軍攻打它們，卻無法攻下。攻下城來就有食物吃，攻不下的，過幾天就得撤走。等到了郁成，漢軍士兵已經只有幾千人了，而且都飢餓疲憊。漢軍攻打郁成，被郁成軍隊擊敗，漢軍傷亡慘重。貳師將軍李廣利和李哆、趙始成等人商議：「到了郁成都沒能夠攻下，更何況他們的國都？」於是率軍撤回，這一去一回就花費了兩年的時間。漢軍返回敦煌的時候，士兵已經不足出發時的十分之一二。李廣利派出使者去向天子報告：「道路遙遠，糧草匱乏。而且士兵們怕的不是打仗，而是飢餓。漢軍人少，無法攻克大宛。希望暫時退兵，增派軍隊再去討伐。」天子聽後很生氣，就派使者把守玉門關，說擅自進入玉門關的軍士立即處死！貳師將軍李廣利非常害怕，只好滯留在敦煌。
那年夏天，漢朝在與匈奴的作戰中損失了兩萬多浞野侯的士卒。公卿和議事的大臣都希望停止進攻大宛，集中力量攻打匈奴。天子認爲，既然已經攻打大宛，那麼連大宛的小國都打不下來，大夏等國就會看不起漢朝，而大宛的良馬也絕不會得到，烏孫、侖頭更會欺辱漢朝使者，被外國所恥笑了。天子於是就查辦了說攻打大宛不利的鄧光等人，又赦免囚犯和武官，又增調品行不佳的少年以及邊地騎兵，準備了一年多的時間，漢軍從敦煌出發的就多達六萬人，這還沒有將自帶裝備自願從軍的人包括在內。這些士兵攜帶十萬頭牛，三萬多匹馬，驢、騾、駱駝數以萬計。漢軍還帶了很多糧食，兵器、弓弩都很齊備。當時全天下都爲之騷動不安，相互轉告奉命攻打大宛，軍隊總共有五十多名校尉。大宛都城中沒有水井，飲水都要汲取城外的流水，於是漢軍派水工改變了城的水道，讓城內無水可用。漢朝還增調了十八萬甲兵到酒泉、張掖北邊，設置居延、休屠兩個縣以拱衛酒泉。漢朝又調遣全國七種犯罪的人，運送乾糧供給貳師將軍的軍隊。轉運物資的人絡繹不絕，一直到敦煌。又任命兩位熟習馬匹的人做執驅校尉，準備攻克大宛後好挑選良馬。
就這樣，貳師將軍李廣利再次出征，由於士兵很多，所以經過的小國沒有不迎接的，紛紛都給漢軍獻上食物。漢軍抵達侖頭，侖頭國不肯投降，攻打幾天以後，侖頭城坡，漢軍大肆屠殺。此後再向西去，漢軍沒有遇到什麼阻攔而順利到達大宛王城，這時漢軍有三萬人。大宛軍隊迎戰漢軍，漢軍射箭將其打敗，大宛軍隊逃回城裡，憑城堅守，貳師將軍的軍隊準備攻打郁成，又擔心停滯不前會讓大宛想出什麼詭詐的辦法，於是先到大宛城，挖開它的水源引到別的地方，大宛深受其害。漢軍將大宛城包圍，攻打了四十多天，外圍城牆毀壞，大宛貴族官員中的勇將煎靡被俘。大宛人非常害怕，都逃到了中城。大宛貴族官員一起商量對策，說道：「漢朝之所以進攻大宛，就是因爲大宛王毋寡藏匿了良馬，還殺死了漢朝使者。現在如果殺了大宛王毋寡，再獻出良馬，漢軍就會解圍離開；如果漢軍不解圍離開，那我們再奮力戰鬥而死也不晚。」大宛的貴族官員們都認爲有道理，於是一起將國王毋寡殺死，派出其中一位貴族官員拿著國王的頭到貳師將軍李廣利那裡，和他約定說：「漢軍不要攻打我們。我們獻出所有良馬，任由你們挑選，還爲漢軍提供食物。如果漢軍不同意，我們就把良馬全部殺掉，而康居的救兵也快要到了。救兵一來，我們在裡面，康居軍隊在外面，內應外合同漢軍作戰。希望漢軍仔細考慮我們的建議，怎麼樣？」這時，康居的偵察兵也打探到漢軍的情況，見漢軍還非常強盛，也不敢再前進。貳師將軍李廣利和趙始成、李哆等人商量說：「聽說大宛城內剛找到了漢人，懂得挖井，此外他們城中的糧食還有很多。我們之所以來到這裡，就是爲了誅殺罪大惡極的毋寡。如今毋寡的頭已經在這了，如果這樣而還不答應撤圍，那麼他們就頑強抵抗堅守，而康居的軍隊等到漢軍疲乏就會救援大宛，肯定會打敗我們。」漢軍的軍官都認爲是這樣的道理，於是同意了大宛的要求。於是大宛獻出他們的良馬，讓漢人自己來挑選，又拿出很多食物送給漢軍。漢軍挑走了幾十匹良馬，以及中等以下的公馬和母馬三千多匹，還立了大宛貴族中一位以前與漢使者關係和善的名叫昧蔡的人爲大宛王，和他訂立盟約撤兵而還。漢軍始終也沒有進入大宛的中城，就撤軍回了漢朝。
起初，貳師將軍李廣利從敦煌西邊出發時，認爲人員太多，沿途的國家無法供給充足的食物，於是兵分幾路，分別從南、北兩路前進。校尉王申生、原鴻臚壺充國等率領一千多人，從另一條路去了郁成。郁成人堅守城池，拒絕爲漢軍提供食物。王申生離開大部隊二百里遠，自恃有大軍做後盾而輕視郁成，責備郁成不提供糧草。郁成人拒絕獻出糧食，又偵查到王申生的軍中人數每天都在減少，就在一天早晨，出動三千人突襲漢軍，將王申生等人殺死。漢軍大敗，只有幾個人逃了出來，跑到了貳師將軍李廣利那裡。李廣利命令搜粟都尉上官桀率軍前去打敗郁成。郁成王逃到了康居，上官桀追擊到康居。康居人聽說漢軍已經攻克了大宛，於是把郁成王獻給上官桀，上官桀命令四名騎兵把郁成王捆好，押解到貳師將軍那裡。四名騎兵彼此商議道：「郁成王是漢朝最爲痛恨的人，如果途中逃走的話，就耽誤大事了。」他們想要殺了郁成王，但是沒人敢先下手。上邽騎士趙弟年紀最小，他拔劍砍去，將郁成王殺死，帶上他的人頭。趙弟、上官桀等人追趕上了貳師將軍的大部隊。
起初，貳師將軍再次出兵大宛時，天子曾派使者告訴烏孫，要求他們多派兵力和漢軍聯合進攻大宛。烏孫派出二千名騎兵，卻持觀望態度，不肯前進。貳師將軍李廣利勝利東歸，沿途的那些小國聽說大宛被破，都派出子弟跟著漢軍到漢朝進貢，拜見皇上，順便留在漢朝作人質。貳師將軍李廣利征討大宛，軍正趙始成奮力作戰，功勞最大；上官桀勇敢地深入作戰，李哆多次出謀劃策，所以漢軍班師進入玉門關時還有一萬多人，戰馬有一千多匹。貳師將軍第二次出兵，軍中並不缺乏糧食，戰死的人也不算多，但是他手下的官吏都十分貪婪，大都不愛惜士兵，侵吞軍餉，所以死的人很多。天子因爲他們是萬里遠征大宛，並沒有追究他們的過錯，封李廣利爲海西侯。又封親自斬殺郁成王的騎兵趙弟爲新畤侯。任命軍正趙始成爲光祿大夫，上官桀爲少府，李哆爲上黨太守。軍官中位列九卿的有三人，任諸侯相、郡守、二千石的有一百多人，任一千石以下的有一千多人。對於自願參軍的人的封賞都超過他們的預期，因爲犯罪而徵召去當兵的人都被赦免罪行，不計功勞。賞賜士卒共四萬金。漢軍兩次攻打大宛，一共享了四年才宣告結束。
漢軍已經討伐大宛，便立昧蔡爲大宛王后離去。一年多以後，大宛的貴族官員們認爲昧蔡善於阿諛討好，才導致自己的國家慘遭屠殺，於是一同將昧蔡殺死，立毋寡的兄弟名叫蟬封的爲大宛王，並派他的兒子到漢朝作人質。漢朝於是派出使者贈送禮物，來收買安撫大宛國。
漢朝派出十幾批使者到大宛以西的那些國家，搜求奇異之物，也借著這個機會宣揚、炫示漢天子征伐大宛的威風和德行。漢朝在郭煌設置酒泉都尉，向西一直到鹽水，路上大多修了亭鄣。而侖頭有屯田士卒幾百人，又在那裡設立使者，以保護田地，積蓄糧食，以供給出使外國的人。
太史公說：《禹本紀》說「黃河源自崑崙山。崑崙山高達二千五百多里，是太陽、月亮交相隱蔽，放出光明的地方。山上有禮泉、瑤池」。如今自從張騫出使大夏以後，探尋到了黃河的源頭，從哪裡能看見本紀上所說的崑崙山呢？所以談論九州山川，還是《尚書》的說法更接近於事實。至於《禹本紀》《山海經》所記載的奇怪之物，我不敢談論。