两次相隔20年。
第一次：建元二年（前139年），
张骞率领100多名随行人员，匈奴人堂邑父为向导从长安出发前往
西域。西行进入
河西走廊。这一地区自月氏人西迁后，已完全为匈奴人所控制。正当张骞一行匆匆穿过河西走廊时，不幸碰上匈奴的骑兵队，全部被抓获。匈奴的右部诸王将立即把张骞等人押送到匈奴王庭（今内蒙古呼和浩特附近），见当时的军臣单于（老上单于之子）。
第二次：元狩四年（前119年），在失去河西走廊后，匈奴向西北退却，依靠西域诸国的人力、物力，与西汉对抗。
汉武帝再任张骞为中郎将，率300多名随员，携带金币丝帛等财物数千巨万，牛羊万头，第二次出使西域。此行的目的，一是招与匈奴有矛盾的乌孙东归故地，以断匈奴右臂；二是宣扬国威，劝说西域诸国与汉联合，使之成为汉王朝之外臣。张骞到达乌孙时，恰逢乌孙内乱，没有达到劝说乌孙东归的目的。不过，张骞的副使则分别访问了
中亚的大宛、康居、大月氏、大夏等国，扩大了
西汉王朝的政治影响，增强了相互间的了解。张骞一行偕乌孙使者数十人于元鼎二年（前115年）返抵长安。