軍臣單於仍然網開一麵，不僅未處死張騫，還讓他與匈奴老婆和兒子團聚。人非草木，孰能無情。曆經劫難後，張騫與家人團聚，多少感到一些安慰。但他仍是大漢的使臣，必須想方設法回國向天子複命。
一年後，匈奴政局風雲突變，給張騫提供了千載難逢的逃亡機會。公元前126年，軍臣單於去世。左穀蠡王擁兵自重，自立為伊稚斜單於，發兵攻打太子單於，匈奴內戰爆發。此時不逃，更待何時？這一次，張騫沒有拋下妻兒，他帶著妻兒與忠誠的奴仆甘父再度踏上逃亡之路。經過一番磨難，終於返回漢帝國。
十三年前，以張騫為首的一百三十人使團出發後，便石沉大海，杳無音信。十三年過去了，張騫奇跡般地回來了，隻是一百三十人的使團，最後返回的隻有他與甘父二人，其他人都有去無回。在此期間，張騫遭遇被捕、囚禁、逃亡、再被捕、再囚禁、再逃亡的生涯，九死一生。但他終於活下來了，不僅活下來了，他還帶回地理上的大發現。這些大發現，將完全改變漢人對外部世界的認識，推動帝國進入一個大外交時代。
張騫的偉大，與漢武帝的英明是分不開的。沒有武帝的雄心，就沒有張騫偉大的探險。張騫帶回關於西域的情報，令雄才大略的武帝意識到，這具有無可估量的價值。
張騫通西域的第一個意義，是促成漢帝國打通河西走廊，這幾乎是通向西域的唯一通道。元狩二年（前121），霍去病兩次橫掃河西，渾邪王投降，將河西走廊拱手相讓。
公元前119年，衛青與霍去病發動漠北戰役，重創匈奴。匈奴遠遁北方，漠南無王庭。漢匈戰爭的焦點，轉向匈奴人控製的西域地區。受封“封望侯”的張騫提出一項宏大的戰略計劃，核心是：與西域強國烏孫結盟，強勢介入西域，控製西域諸國，斬斷匈奴的右臂。
漢武帝對張騫的計劃極為讚賞，派他第二度出使西域。
烏孫是西域最強大的國家，國王昆莫是一個傑出的領袖。軍臣單於多次派出大軍，企圖剿滅烏孫，竟屢屢受挫。然而，張騫來得不是時候。昆莫年老，他的兒子大祿與孫子岑陬爭權奪利，擁兵自重。烏孫國實際已處分裂邊緣，國內政局的混亂，使昆莫沒有心思考慮與漢帝國結盟。繼聯月氏抗匈失敗後，聯烏孫以斷匈奴右臂的計劃也難產。
不過，張騫第二次出使西域仍然取得巨大的成就。他派副使出使西域各國，漢使的足跡廣布，從天山到塔克拉瑪幹沙漠的南緣，從錫爾河到阿姆河，從帕米爾高原到裏海的沿岸，從興都庫什山脈到印度河流域。向西最遠到達安息國的首都番兜城（今伊朗達姆甘）；向南到達身毒，即今天的印度，這是中國與印度兩個偉大國家的初次接觸，具有劃時代的意義。
龐大的漢使節團頻繁出使各國，中國開始走向世界。這是中國外交史光輝的一頁，也是積極主動進取的開拓時代。
元鼎二年（前115），張騫返回國內。他被任命為大行，主管藩夷事務，約相當於外交部長，一年後病逝。
張騫是中國曆史上最偉大的人物之一。他之前的中國，是中國人的中國，除了自家的地盤，隻知道周圍的鄰國，視野狹窄；他之後的中國，是世界意義上的中國，在與中亞、南亞、西亞頻頻接觸中，開拓出古代最重要的貿易運輸通道：絲綢之路。
絲綢之路從中國經河西走廊，在西域分為兩支：一支沿昆侖山的北麓，經樓蘭，順塔裏木河直抵莎車，越過蔥嶺進入月氏、安息，到達西亞，再從西亞直入歐洲，形成一條漫長的路上交通要道；另一支沿天山南麓，到達疏勒，越過蔥嶺，抵達大宛、康居。絲綢之路的開通是世界交通史上一件極為重要的事件，中國的絲綢產品就是通過這條通道銷往歐洲。
張騫的地理大發現，促成漢武帝時代大規模的開疆拓土。直接的結果是經營西域：帝國的勢力強勢介入塔裏木盆地、天山以北以及中亞的費爾幹納盆地，西域從此成為漢帝國對外經略最重要的戰略方向。
漢武帝時代，是中國曆史上最重要的擴張期。除了張騫通西域之外，帝國在西南也有地理大發現，這歸功於另一位冒險家：唐蒙。
建元六年（前135），番陽縣令唐蒙奉命出使南越國。在南越，他見到蜀郡出產的枸子醬，覺得很奇怪，就問當地官員：“蜀郡離南越這麼遠，為什麼蜀郡的枸子醬會出現在這裏？”南越官員說：“是通過牂牁江運過來的。”但是如何從蜀郡運到牂牁江，南越官員卻說不清。
從南越回來後，唐蒙找到蜀郡的商人，打聽詳情。蜀商告訴他，商人是把枸子醬賣到蜀郡南邊的夜郎國，夜郎國有一條牂牁江，可以行船，與西江相通，船隻可以直達南越首都番禺城。
唐蒙聽罷大喜，他是個既精明又有遠見的人，意識到蜀商透露的信息有重大軍事價值。他整理思路後，寫了一道奏折，提出自己的戰略構想，核心是：從巴蜀打通一條通往夜郎國的通道，控製夜郎國，沿著牂牁江順流而下，攻取南越首都番禺。
雄心勃勃的漢武帝批準唐蒙的計劃，並任命他為中郎將，率一千人從巴郡苻縣（四川合江）出發，前往夜郎國。唐蒙拜見夜郎國王多同，代表漢帝國政府，給了大把銀子，並乘機提出由朝廷向夜郎委派官吏，實際上就是將夜郎納入大漢政府的管轄。夜郎及其附近的小國，一來看到唐蒙出手大方，再者認為漢帝國遙遠，奈何不了他們，就紛紛表示願意締訂盟約。
於是漢武帝詔設置犍為郡，負責管理夜郎國及其周邊的小國，夜郎王改稱為夜郎侯。由於漢地與夜郎的交通十分不便，必須修築一條通往牂牁江的道路。築路的重任落在唐蒙身上。唐蒙征發巴、蜀兩郡的民工與士卒數萬人，修築從僰道（今宜賓市）到牂牁江的通路。由於地形非常複雜，修路難度大，很多人活活累死，致使巴、蜀兩郡民怨沸騰。