元和元年（公元84），東漢政府再派假司馬和恭等4人統兵800增援班超。至此，班超所屬漢軍前後共有1800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（公元87），班超征發於闐等諸國兵2.5萬人，複擊莎車。龜茲王遣左將軍發溫宿、姑墨、尉頭兵共5萬人前往救援。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。龜茲王聞訊大喜，親率1萬名騎兵馳至西界，阻遏班超。溫宿王率8000騎兵於東界，邀截於闐兵。班超得悉二虜已出，遂密召諸部部署兵馬，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5000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。
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（公元90）五月，大月氏遣其副王謝統兵7萬，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。
永元三年（公元91），在班超的威名震懾下，龜茲、姑墨、溫宿諸國皆降。是年底，東漢政府複置西域都護、騎都尉、戊己校尉官。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。
永元六年（公元94）秋七月，班超調發龜茲、鄯善等八國兵共7萬餘人，吏士賈客1400人，討伐焉耆。大軍到達尉犁界，班超派使者曉喻焉耆、尉犁、危須說：“都護來者，欲鎮撫三國。即欲改過向善，宣遣大人（謂其首領）來迎，當賞賜王侯以下，事畢即還。今賜王絛500匹。”焉耆王廣遣其左將北鞬支攜帶牛酒來迎班超。班超質問北鞬支說：“汝雖匈奴侍子，而今秉國之權。都護自來，王不以時迎，皆汝罪也。”班超部下有人建議班超殺掉北鞬支。班超以為不可，說：“此人權重於王，今未入其國而殺之，遂令自疑，設備守險，豈得到其城下哉！”於是依例賞賜北鞬支，遣其歸去。焉耆王廣遂與其酋豪帶上珍寶至尉犁來迎接班超。
焉耆國有葦橋之險。廣因戒懼，不欲令漢軍進入其國，乃拆除葦橋，斷絕交通。班超指揮部隊從別路涉深水而渡。七月末，班超進入焉耆，在距城20裏的大澤之中紮下營寨。廣得到報告，大為驚恐，準備將其部眾盡數驅入山中以自保。焉耆左侯元孟以前曾入質洛陽，與漢有舊，因派人將此事密告班超。班超當即斬殺來人，示不信用。然後與諸國王約定會期，揚言要對與會者重加賞賜。焉耆王廣、尉犁王沮及北鞬支等30人如期到會。焉耆國相腹久等17人懼誅，皆逃至海上，危須王也未到會。廣等坐定，班超怒斥廣說：“危須王何故不到？腹久等所緣（為什麼）逃亡？”說罷，即下令吏士捉拿廣、譏等斬首於陳睦故城。然後縱兵抄掠，斬首5000餘級，俘虜1.5萬人，馬畜牛羊30餘萬頭，宣布改立元孟為焉耆王。班超本人留駐焉耆城內半歲，對焉耆百姓善加撫慰。於是西域大小50餘國全部擺脫匈奴控製，納質歸附，再度隸屬於東漢統治之下。班超在西域的活動，為鞏固統一的多民族國家做出了傑出的貢獻。和帝下詔表彰其功績，封班超為定遠侯。