班超此次出使，首先來到於闐（今新疆和闐縣）。其時，於闐王廣德新破莎車（今新疆莎車），雄踞南道，勢力方盛，而北匈奴又派有使臣監護其國。因此，廣德對於班超等人的態度很是簡慢。於闐人還有迷信巫人的習俗。巫師聞漢使至，竟對於闐王說：“神已發怒，責問何故欲向漢？漢使有匹馬咼馬（gu瓜，黑嘴的黃馬），趕快取來祭祀我。”廣德不敢有違，乃派使者至班超處求取馬咼馬。班超對此情況早已偵知，當即佯允，但要求巫師親自前來取馬。巫人不知是計，有頃，欣然而至，班超當即斬殺巫首送給廣德，從而質責廣德對漢使不敬、對漢廷不誠之罪。廣德早已聞知班超在鄯善誅滅匈奴使團的壯舉，今見班超發怒，大為惶恐，立即派人攻殺匈奴監護使者，誠心附漢。班超重賞廣德及其所屬官員，並加安撫，由此班超威鎮於闐。
永平十七年（公元74）春，班超來到疏勒（今新疆喀什市）。先時龜茲（qiú cí丘慈，今新疆庫車）王建為匈奴所立，他依仗匈奴勢力，控製北道，攻破疏勒，殺死其王，另立龜茲人兜題為疏勒王。故當時的疏勒，直接為龜茲王的屬國，而間接受製於匈奴。班超在到達疏勒前，在距兜題所居盤橐城90裏處暫駐，派從官田慮先去招降。行前，班超指示田慮說：“兜題本非疏勒種，國人必不用命。若不即降，便可執之。”田慮到後，兜題見其人少力弱，毫無歸降之意。田慮乘其無備，突然劫持兜題，左右驚慌奔走。田慮將情況派人飛報班超，班超立即趕到盤橐城，悉召疏勒將吏，當眾揭露龜茲王倒行逆施的種種暴行，並求得疏勒故王兄子榆勒，更名為忠，立為疏勒新王。疏勒舉國歡騰。榆勒及其官屬皆請處死兜題。班超為樹立漢朝聲威，釋兜題遣歸龜茲。疏勒由是與龜茲結怨。
西域自與漢斷絕六十五載之後，至是複通。於是漢置西域都護及戊己校尉。漢以陳睦為都護，耿恭為戊校尉，屯田車師後部金蒲城（今新疆奇台縣西北）；關寵為己校尉，屯田車師前部柳中城（今新疆鄯善縣西南）。屯田士兵各數百人。
永於十八年（公元75）春，北匈奴單於派左鹿蠡王率領兩萬名騎兵，反攻車師後部。七月，又圍耿恭於疏勒城。八月，明帝死，皇太子嗣位，是謂肅宗章皇帝。冬，焉耆、龜茲乘機圍關寵於柳中城。車師複叛漢廷，夥同匈奴共攻耿恭於疏勒城。耿恭食盡窮困，乃煮鎧駑，食其筋革，最後僅剩數十人，仍厲眾堅守。漢遣征西將軍耿秉屯酒泉，行太守事，調發張掖、酒泉、敦煌三郡及鄯善兵共7000餘人，星夜馳援。終因道路遙遠，未能遽至。龜茲、姑墨（今新疆溫宿、阿克蘇一帶）也趁機屢發兵攻疏勒。當時班超拒守盤橐城，勢孤力單，隻能與疏勒王忠相呼應，拒守一年有餘。章帝以陳睦新沒，班超力單不能自立，乃悉罷西域都護校尉官，同時下詔征召班超回國。
東漢的勢力從塔裏木盆地撤退，給西域南道諸國造成很大的恐怖和壓力。因為東漢軍隊一旦撤退，匈奴必然卷土重來，對他們進行殘酷的報複。班超將要啟程，疏勒舉國憂恐，其都尉黎弇曰：“漢使棄我，我必複為龜茲所滅耳。”說罷，竟引刀自剄。班超自疏勒還至於闐，於闐王侯以下皆號泣，抱住班超馬腳，曰：“依漢使為父母，誠不可去！”班超見此情景，知道於闐將不肯放其東歸，自己也因壯誌未酬，決定暫不回國，與所率36人又折返疏勒。在此期間，疏勒有兩城複降龜茲，並與尉頭（約在今新疆阿合奇縣一帶）連兵，企圖顛覆班超所建立的疏勒政府。班超回到疏勒後，采取果斷措施，勒兵擊殺疏勒的反叛者，又擊破尉頭，誅殺600餘人，使疏勒的局勢重新安定下來。
建初三年（公元78），班超率疏勒、康居（在今巴爾克什湖和鹹海之間）、於闐、拘彌（在今新疆於田縣克裏雅河東）等國士兵1萬人攻破姑墨石城，斬首7萬級。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”。章帝覽奏，知其功可成，遂於建初五年（公元80）以徐幹為假司馬，率領馳刑（緩刑）及義從（誌願兵）1000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10萬，故光武帝妻以公主，至孝宣皇帝，卒得其用。今可遣使招慰，與共合力。”章帝采納其建議，遣使與烏孫通好。建初八年（公元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，別遣衛侯李邑護送烏孫使臣歸國。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！