失我焉耆（燕支）山，
使我妇女无颜色！
失我祁连山，
使我六畜不蕃息！
最后在元狩四年的一役，匈奴远遁瀚海以北，汉把自朔方渡河以西至武威一带（今宁夏南部，介于绥远和甘肃间）也占领了，并且在这里开渠屯田，驻吏卒五六万人（唯未置为郡县），更渐渐地向北蚕食。是年，武帝募民七十余万充实朔方以南一带的边境。
元狩五年至太初三年，凡十七年（前118年至前102年）间，是武帝对外的第三个时期。在这一时期内，匈奴既受重创，需要休息，不常来侵寇；武帝也把开拓事业转向别方：先后征服了南越、西南夷、朝鲜，并将它们皆收为郡县；从巴蜀开道通西南夷，役数万人；戡定闽越，迁其种族的一大部分于江淮之间，并且首次把国威播入西域。
西域在战国时是一个神话中的境地，屈原在《招魂》里描写道：
西方之害，流沙千里些！
旋入雷渊，靡散而不可止些！
幸而得脱，其外旷宇些！
赤蚁若象，玄蜂若壶些！
五谷不生，丛菅是食些！
其土烂人，求水无所得些！
一直到张骞出使之时，汉人还相信那里的昆仑山为日月隐藏之所，其上有仙人西王母的宫殿和苑囿。对这神话中的境界，是武帝首先做了有计划的开拓。武帝在即位之初，早已留意西域。先时月氏国给匈奴灭了以后，一部分的人逃入西域，占据了塞国（今伊犁一带），驱逐了塞王，另建一新国，是为大月氏（余众留敦煌、祁连间为匈奴役属的叫作小月氏），他们对于匈奴，时图报复。武帝从匈奴降者的口中得到这消息，想联络月氏共伐匈奴，便募人去和它通使，汉中人张骞应募。这使事是一个很大的冒险。是时，汉与西域间的交通要道还是在匈奴人的掌握中，而西域诸国多受匈奴的命令。张骞未入西域，便为匈奴所获，拘留了十多年，他苦心保存着他那象征使者身份的“节”，终于率众逃脱。这十多年中，西域起了一大变化。先前有一个游牧民族，叫作乌孙的，在故月氏国西，给月氏灭了。他们投奔匈奴，被匈奴人收容，至是，受了匈奴的资助，向新月氏国发起猛攻。月氏人被迫开始第二次的逃亡，又找到一个富厚而文弱的国家——大夏（今阿富汗斯坦）——把它鸠居雀巢地占据了，遗下塞国的旧境为乌孙所有。张骞到大夏时，月氏人已给舒服的日子软化了，再不想报仇。张骞留居年余，不得要领而返，复为匈奴所获，幸而过了年余，单于死，匈奴内乱，他才得间逃归。骞为人坚忍、宽大、诚信，甚为蛮夷所爱服。他出国时同行的有一百多人，去了十三年，仅他和一个胡奴堂邑父得还。多亏这胡奴在路上给他射鸟兽充饥，否则他已经绝粮死了。