建初三年（78），班超率疏勒、康居（在今巴爾克什湖和成海之間）、於闐、拘彌（在今新疆於田縣克裏雅河東）等國士兵一萬人攻破姑墨石城，斬首七萬級。班超欲乘勝平定西域諸國，遂上疏章帝，大意說：西域諸國大多數傾向漢朝，隻有焉耆、龜茲未服，若能集中各國兵力攻破龜茲，派數百名騎兵護送龜茲侍子向霸回國為王，便可穩定西域，斷匈奴右臂，“以夷狄攻夷狄，計之善者也”⑨。章帝覽奏，知其功可成，遂於建初五年（80）以徐幹為假司馬，率領馳刑（緩刑）及義從（誌願兵）一千人往助班超。
先是，莎車以為漢兵不再複出，遂降附於龜茲，而疏勒都尉番辰亦複叛漢。恰巧徐幹率兵及時趕到，班超遂與徐幹共破番辰，斬首千餘級，俘虜甚眾。班超既破番辰，又欲連絡天山以北之烏孫，進攻龜茲，以牽製匈奴。他上書章帝曰：“烏孫大國，控弦十萬，故武帝妻以公主，至孝宣皇帝，卒得其用。今可遣使招慰，與共合力。”⑩章帝采納其建議，遣使與烏孫通好。建初八年（83），章帝派班超為將兵長史（大將軍置長史、司馬；其不置將軍而長史特將者為將兵長史），以徐幹為軍司馬，別遣衛侯李邑護送鳥孫使臣歸國。李邑到達於闐，正值龜茲進攻疏勒，懼不敢前，反而上書陳奏西域難平，並極力詆毀班超：“擁愛妻，抱愛子，安樂外國，無內顧心。”章帝深知班超忠心，乃切責李邑：“縱超擁愛妻，抱愛子，思歸之士千餘人，何能盡與超同心乎！”因令其到班超處接受節度，同時詔令班超說，如果李邑到達班超處報到，便留與從事。班超不但沒有留難他，反而派李邑監護烏孫侍子回到京師。徐幹很不理解，問班超為何這樣處理？班超回答說：“內省不疚，何恤人言。”為了國家，班超心底竟是如此之寬廣！
元和元年（84），東漢政府再派假司馬和恭等四人統兵八百增援班超。至此，班超所屬漢軍前後共有一千八百人，於是他以這些人馬為基本力量，同時憑借西域諸國之兵，信心百倍地展開經略西域的英雄事業。班超首先發疏勒、於闐兩國的軍隊，從東西兩麵夾攻莎車。莎車自知不敵，乃一麵以珍寶賄賂王忠，要其從內部反叛，西保烏即城；一麵求援於龜茲。當班超出兵以後，疏勒果然叛漢而從莎車。班超於是改立疏勒府丞成大為疏勒王，悉數征發疏勒的親漢吏民，全力攻忠。由於康居出兵援忠，半年未能攻下。班超又施展外交攻勢，聯合與康居結姻的月氏，厚贈錦帛，令其曉示康居王罷兵，並執忠以歸其國。烏即城遂降於班超。
章和元年（87），班超征發於闐等諸國兵二萬五千人，複擊莎車。龜茲王遣左將軍發溫宿、姑墨、尉頭兵共五萬人前往救援。班超召集將校及於闐王商議決定：“今兵少不敵，其計莫若各散去。於闐從是而東，長史（時班超為將兵長史）亦於此西歸，可須（等待）夜鼓聲而發。”然後故意放鬆對所獲俘虜的監視，令其得便逃走，還報軍情。龜茲工聞訊大喜，親率一萬名騎兵馳至西界，阻遏班超。溫宿王率八千騎兵於東界，邀截於闐兵。班超得悉二虜已出，遂密召諸部部置兵馬，於雞鳴時趕至莎車營。胡虜毫無準備，驚亂奔走，班超乘勢追殺，斬五千餘級，大獲其馬畜財物，莎車遂降。龜茲、溫宿等亦各退散。班超由此威震西域，遠近懾服。西域南道從此暢通。
古代人物畫像正當東漢政府在西域進行活動時，月氏族亦欲染指塔裏木盆地。永元二年（90）五月，大月氏遣其副王謝統兵七萬，向班超進攻。當時班超兵力甚少，部屬都感到惶恐不安，班超胸有成竹，鎮定自若，他曉喻軍士們說：“月氏兵雖多，然數千裏逾蔥嶺來，非有運輸（言運輸糧草困難），何足憂邪！但當收兵堅守，彼饑窮自降，不過數十日決矣！”事態的發展果如班超所料。月氏副王謝驅兵進攻班超，不勝，縱兵抄掠，又一無所得。班超估計敵軍軍糧將盡，必定派人向龜茲求援，於是派兵數百於東界邀截。謝果然派出騎兵攜帶金銀珠玉往賂龜茲。班超伏兵截擊，將其盡行消滅。班超派人持月氏使者首級以示謝，謝大驚恐，因即遣使向班超請罪，乞求生還。班超釋其西歸。月氏由是大震，向東漢歲奉貢獻，以示臣服。
古代山水畫永元三年（91），在班超的威名震懾下，龜茲、姑墨、溫宿諸國皆降。是年底，東漢政府複暨兩域都護、騎都尉、戊已校尉官。以班超為都護，徐幹為長史，拜白霸為龜茲王，遣司馬姚光護送其回國。班超與姚光共同脅迫龜茲，廢其王尤利多而立白霸，同時派姚光將尤利多送至洛陽。班超駐龜茲它乾城，徐幹屯疏勒。其時西域隻有焉耆、危須（今新疆焉耆回族自治縣）、尉犁（今新疆庫爾勒）尚懷二心，其餘悉定。