当然，给人们留下最深印象的当属汉武帝对大宛的征伐。汉武帝听说西域大宛国盛产汗血宝马，能日行千里，于是遣使大宛，欲以重金换取宝马。其实在听说汗血宝马之前，西汉已经有了来自乌孙的“天马”，但是当了解到大宛的汗血宝马更健壮时，不由兴起了喜爱之情，甚至汉武帝改乌孙马为“西极”，称大宛马为“天马”，可见大宛马的优良。
汉使携重金，历经千辛万苦终于到达大宛，大宛国王不敢懈怠，接见了汉使。宴会当中，汉使说明来意，希望用千金及一匹精致的金马换取大宛的汗血宝马。但结果却是令汉使大感意外，大宛国不仅不想用宝马换取金马，还想强抢豪夺。汉使大怒，摔金马而逃，结果到达大宛属国郁成时被杀。消息传到汉朝时，汉武帝大怒，于是才有了下令发兵征伐大宛的事情。
公元前104年，汉武帝任命李广利为贰师将军，率6000人马出征大宛，因为汉朝希望到大宛的贰师城取宝马，所以称李广利为“贰师将军”。李广利的这次出征是在准备不足，后勤补给严重匮乏的情况下进行的，加上过往小国不肯提供供给，致使第一次出征大宛的汉军大败而归。当败军退回到敦煌时，李广利上疏言败军事，汉武帝大怒，下令有敢入阳关者杀无赦，李广利只得在敦煌驻守等待消息。
公元前103年，汉打击匈奴的2万大军败于匈奴之手，此时汉朝廷内部许多大臣进言停止对大宛的征伐，汉武帝不听，甚至不惜把劝谏之人打入大牢。在汉武帝的坚持和努力下，最后约10万众的远征军在大量后勤补给的支撑下，开始了对大宛的第二次征伐。在汉军强大军事实力的压力下，西域小国莫敢不从。
汉军吸取上次失败的教训，绕过郁成，迅速攻取大宛都城，在经过40余日的强攻之后，大宛国内发生内讧，最后以大宛国王和郁成国王的人头换取汉军的退兵。李广利征伐大宛的战争告一段落，汉军带回数十匹汗血宝马和三千多匹中等马，汉朝在西域的声望大大加强。《史记》中有诗为证：天马来兮从西极，经万里兮归有德。承灵威兮降外国，涉流沙兮四夷服。
公元前72年，匈奴进攻乌孙，乌孙向汉求救，西汉遣五将军率15万大军与乌孙东西夹攻匈奴，大获全胜，匈奴元气大伤，从此无力与汉在西域争雄。公元前60年，匈奴发生内讧，西边日逐王降汉，自此匈奴势力全部退出西域。西汉以郑吉兼护“鄯善以西”、“车师以西北道”，这就是西域都护的由来。西域都护的主要任务就是统领西域诸国，联合起来共同抗击匈奴的侵扰，特别是保护西域南北两道的安全和畅通。至此，西域地区统一在西汉中央王朝的管辖之下，更为中国与中亚、西亚、欧洲各国的交往铺平了道路。
