无力西顾，因此拒绝所请。公元45年，车师后国等十八国皆遣侍子入汉，再次请求内属，光武帝厚礼遣回诸国侍子，但仍然拒派都护。三年之后，匈奴正式分裂为南北二部。南匈奴南下附汉，北匈奴逐渐向西北迁徙，企图控制西域，作为侵扰中原的基地。至明帝永平时（58～75年），北匈奴利用西域诸国的争斗，坐收渔利，最终完全控制了西域，数次胁迫西域诸国攻掠河西地区，以致河西一带城门昼夜皆闭。东汉政府为了保障西北地区的安全，不得不重新考虑夺取西域的问题。在公元73年窦固击北匈奴的战役中，汉军占领伊吾，并设置宜禾都尉，驻兵屯守。伊吾是北匈奴侵扰中原的必经之地，也是匈奴进入西域的咽喉要道，汉军控制了伊吾，从而揭开了汉匈再夺西域的序幕。班超就是为了实现这一方略而出使西域的。
班超重新经营西域是从距离匈奴较远，控制比较薄弱的南道诸国着手的。当时，位于南道东端的鄯善与中西部的于阗号称南道二大国，控制了鄯善与于阗，就可以稳定住南道诸国，乃至整个西域的形势。因此，班超一行首先到达中原通西域的必经之地鄯善。鄯善王广得知汉军新破北匈奴，慑于汉朝兵威，所以对班超等人热情款待。但是数日之后，鄯善王广的态度忽然怠慢起来。班超立刻察觉出这一变化，准确地判断出匈奴的使者已经到来，虽然鄯善王正动摇于汉匈之间，尚没有作出最后的抉择，但局势对于汉使已经非常不利。于是班超设法从鄯善侍者的口中探问出匈奴使者的住处，召集随从三十六人商议，以“不入虎穴，不得虎子”激励众人。于是在夜色掩护下，班超率众人奔赴三十多里外的匈奴使团的营地，顺风放火，鸣鼓大呼，匈奴人在睡梦之中被惊醒，顿时乱作一团，班超与众人守住营门，将逃出火海的三十余人杀死，其余近百人都被烧死。天明之后，鄯善王广得知消息，震恐惊愕不已，在班超宽慰劝说之下，终于同意归附，遣王子入汉为质。
班超因降服鄯善有功，明帝下诏褒扬，擢升为司马，命其继续出使于阗。窦固欲多遣士卒以壮声势，班超婉言谢绝，仍率三十六名壮士沿南道行至于阗（王治今新疆和田东北）。此时于阗王广德因新破莎车，国势强盛，雄据南道，与匈奴关系密切，匈奴亦遣使者常驻于阗镇抚。因此，广德对班超等人的到来，态度甚为冷淡，并且听信神巫之语，强索班超的乘骑，准备杀马祭神。班超佯若应允，命神巫前来取马。神巫至后，被班超杀死，送首级于广德。广德大为惶恐，又慑于班超在鄯善攻杀匈奴使者的显赫声威，因此杀掉匈奴派来监视的使者，归附汉朝。班超善言宽慰广德，厚赠财物，留居于阗镇抚。
南道诸国虽然归附，但北道诸国仍在匈奴的役属之下。龟兹王建为匈奴所立，依恃匈奴的势力，称雄于北道，攻杀疏勒王，另立龟兹人兜题为疏勒王。疏勒位于南北二道西端的会合之处，地理位置非常重要，不控制疏勒，西行之道依然不通。第二年春天（即永平十七年，74年），班超率部下从于阗出发，由僻避小路进入疏勒境内，在距兜题所居的涅槃橐城九十余里处停下来，仅派田虑一人前去劝降。兜题见田虑孤身一人，毫无戒心，傲慢地拒绝归降。田虑乘其不备，突然将兜题捆绑起来，左右卫士惊惧逃散。田虑挟兜题纵身上马，飞奔出城。班超见兜题被俘，立即率部进城，召集疏勒群臣，宣布兜题罪状，立已故疏勒王的侄子忠为王。疏勒人早已深恨兜题，纷纷请求班超杀之。班超认为杀之无益，不如释放以示汉朝恩德，于是遣兜题回龟兹。
就在班超招降疏勒，南道基本上被打通的同年冬天，汉军又在西域采取大规模军事行动，窦固、耿秉率军攻破北道的车师前、后国，重新控制北道的东端。在这种形势下，朝廷决定在西域重设都护和戊己二校尉，任命陈睦为西域都护；耿恭为戊校尉，屯兵于车师后国金满城（今新疆奇台西北）；关宠为己校尉，屯兵于车师前国柳中城（今新疆吐鲁番东南）。至此，中断六十多年中原与西域的交通重新开通。匈奴失去西域，自然不肯甘心，永平十八年（75年）二月，北单于遣左鹿蠡王率兵二万进攻车师。耿恭坚守金满城，以毒箭射退匈奴骑兵后，移屯于距水源较近的疏勒城（其地不详，应在车师后国境内）。同年七月，匈奴发兵攻疏勒城，又被耿恭设计击退。十一月，焉耆、龟兹在匈奴的支持下，攻陷都护府，杀死都护陈睦和汉军二千多人。此时柳中城也被匈奴围困，关宠上书求救，适逢明帝去世，朝廷议而不决，救兵久拖不至，柳中城也被匈奴攻陷。至此，汉朝在北道仅有耿恭坚守的最后一个据点。车师这时也叛汉，与匈奴共同围困疏勒城达数月之久，但始终不能攻克。章帝即位后，于建初元年（76年）春出兵击破车师，始解疏勒城之围，这时耿恭部下仅剩下二十六人。章帝在此役之后，不愿再用兵西域，于是罢除西域都护与戊己校尉，刚刚恢复与中原联系的西域北道交通又告终断。
就在朝廷决定放弃西域的时候，班超与疏勒王忠正在奋力抗击来自北道的匈奴属国龟兹、姑墨的进攻，坚守槃橐城一年多。章帝考虑到西域都护已撤，班超孤掌难鸣，因此下诏征其回国。班超将奉旨回国，引起疏勒国内一片惊恐，都尉黎弁不忍见汉使离开后被龟兹吞灭，自杀而死。班超东归至于阗时，于阗的王侯竟抱住班超的马腿，坚决不肯放行。班超被西域诸国归汉的诚心所感动，也不愿意自己壮志未遂就中途而废，于是决定留在西域，并且立即拨转马头，返回疏勒。此时疏勒已有二城发生叛乱，投降龟兹，并与尉头国（位于疏勒东北）连兵。班超返回后，果断平叛，击破尉头，再定疏勒，并准备以此为基地，打通北道。
建初三年（78年），班超率疏勒、康居、于阗、拘弥（王治今新疆于田东北）四国兵一万多人，首先进攻位于疏勒东北的姑墨。此时姑墨役属于龟兹与匈奴，邻近疏勒，对其威胁最大。班超攻破姑墨重镇石城后，解除了来自东北方向的威胁。随后，班超上书陈述政见，表示不须耗费中原之力，“以夷狄制夷狄”，即利用西域人统一西域。章帝赞同班超的见解，于是任命徐幹为假司马，率一千士卒前往增援。就在徐幹尚未到达之时，南道莎车以为汉廷不可能出兵，班超孤悬域外，不是龟兹的对手，于是归降龟兹，并策动疏勒都尉番辰反叛。班超前后受敌，形势再度危急。恰在此时，徐幹率军赶到，与班超合力大破番辰，第三次平定疏勒。此后，班超上书朝廷，建议遣使联络乌孙，共击龟兹。建初八年（83年），章帝批准班超的计划，任命班超为西域长史，徐幹为司马，另派卫候李邑护乌孙使者回国，以通汉朝善意。不料李邑刚行至于阗，听说龟兹进攻疏勒，吓得不敢西进，反而上书诋毁联络乌孙的计划不可实行，诬陷班超不以国事为重，拥爱妻，抱爱子，作威于西域，乐不思归。班超为避嫌疑，送妻子回国。章帝深知班超忠心为国，颁诏切责李邑，命其仍至疏勒受班超节制。班超为了顾全大局，遣李邑归朝。这场人为的风波虽然平息，但联合乌孙的计划也被迫搁置下来。
元和元年（84年），朝廷又派司马和恭等率八百人增援班超。在朝廷的支持下，班超决定征服莎车，确保南道的安全。班超调集疏勒与于阗兵从东西夹击莎车，然而战事进行极不顺利，莎车以重利引诱疏勒王忠反叛，班超另立疏勒王府丞成大为疏勒王，征发疏勒未反之人攻忠。半年后，康居出精兵救忠。班超遣使以重金贿赂康居王姻亲月氏王，于是月氏王劝康居王罢兵，携忠回国。疏勒叛乱虽然被平定，但莎车却始终没有被攻克。三年之后，忠一面秘密与龟兹商议，企图借龟兹之力恢复王位；一面遣使回国，诈称欲降，以试探班超的态度。班超也将计就计，佯称允许其回国。等忠一回到疏勒，即被班超杀掉。此后，班超便完全控制了疏勒的局势，再无后顾之忧，遂于章和元年（87年）再次发动征服莎车的战役。班超调集于阗诸国兵二万五千人，浩浩荡荡杀奔莎车；龟兹也集合北道温宿、姑墨、尉头诸国兵五万多人来救莎车。双方兵力相差悬殊，于是班超与于阗王商议，故意宣扬汉军将西归疏勒，于阗兵将东归回国。龟兹王果然中计，自率一万多人赴莎车之西，准备拦击汉军；温宿王将八千骑赴莎车之东，准备阻击于阗兵。二军调动之后，班超突然对莎车兵营发动猛攻，莎车军大乱，五千多人被斩首，莎车被迫投降，龟兹诸国见大势已去，各自归国。班超降服莎车，威震西域，从此南道畅通无阻。永元元年（89年），窦宪大破北匈奴，登燕然山，刻石铭功而还。第二年五月，窦宪遣副校尉阎磐击败北匈奴于伊吾，车师前后国归降汉朝，为班超统一西域奠定了坚实的基础。正当班超准备趁汉军大败北匈奴之机再次打通北道时，一个意外的情况发生了。
和帝永元二年（90年），一向与汉朝关系和睦的大月氏王以班超曾拒绝其与汉朝通婚的请求为由，遣副王谢率七万大军逾葱岭攻班超。班超麾下将士十分惊慌，但班超却非常镇定，晓谕部下说：“月氏兵虽多，但逾越葱岭远道而来，粮食运输必然困难。只要我们储备充足的粮食，坚壁清野，不过十日，月氏大军必然因乏粮而失败。”果然不出班超所料，月氏大军气势汹汹而来，受阻于班超阵前，久攻不下，四处掳掠又无所得，派往龟兹求援的使者又被班超遣人截杀，月氏大军陷入粮尽的绝境。副王谢进退维谷，遣使向班超谢罪，请求网开一面，放其生还归国。班超趁机与月氏重修旧好，放月氏大军回国。为此月氏非常感激班超，年年遣使赴汉，与汉朝重新和好。
班超击退大月氏的第二年（永元三年，91年）二月，窦宪遣耿夔击北匈奴于金微山，北单于兵败，被迫开始西迁，班超最后统一西域的时机完全成熟。十月，北道龟兹、姑墨、温宿见匈奴势力已经退出西域，失去依赖，遂向班超投降。十二月，东汉政府决定恢复西域都护府，任命班超为都护，设都护府于龟兹它乾城（其地不详，约位于新疆库车西南）；徐幹为长史，屯居疏勒。至此，西域仅有焉耆、危须、尉犁三国因曾攻杀都护陈睦，害怕班超降罪，不敢归降外，其余诸国都被平定。永元六年（94年）秋，班超调集龟兹、鄯善等八国兵七万多人，开始了统一西域的最后一战。班超率大军由北道东上，首先逼近尉犁国界。班超遣使告喻三国国王：都护前来是想镇抚三国，只要三国国王改过向善，遣王公大臣前来迎接，都护重赏后一定退兵。焉耆王于是遣左将北鞬支前来迎接班超，试探虚实。北鞬支名义上是北匈奴派往焉耆的侍子，实际上是匈奴的监军。班超一见北鞬支，便厉声斥责说：“你虽是匈奴的侍子，却掌握焉耆实权。焉耆王不肯前来，完全是你在作祟！”有人建议杀之，班超认为此人权重于王，杀之会惊动焉耆王，必然会拼死一搏，增加平定三国的困难，因此赠以重礼遣回。不久，焉耆王亲率王公来见班超，奉献珍宝，但内心并不真想归附，所以派人拆毁开都河上的唯一的一座苇桥，企图阻止班超大军进入焉耆。班超毅然率大军涉水而过，进抵距王城南河城（一作员渠城）二十余里处驻扎。焉耆王大惊，想弃城而逃。这时忽然又接到班超的来信，声称将厚赏诸国国王及大臣。焉耆王等信以为真，与尉犁王沉、北鞬支等三十余人赴宴，相国腹久等人害怕被杀，逃往山谷。众人坐定之后，班超突然变脸，喝令将焉耆王等人绑缚，押至陈睦被害处斩首，传送首级至京师报功，随即发兵攻掠焉耆王城，屠杀五千多人，俘获一万五千多人，牲畜三十多万头，更立曾为汉朝侍子的元孟为焉耆王，尉犁、危须也重立新王。至此，班超大功告成，西域五十余国重归汉朝。永元七年（95年），班超因平定西域，被封为定远侯，后人称其为“班定远”，当年封侯于万里之外的壮志终于如愿以偿。
永元十二年（100年），班超经营西域已经二十多年，岁月的流逝，鞍马的劳顿，这位当年的壮汉，如今已是鬓发皆白，疾病缠身，思乡情切，因此上书朝廷，以“不敢望到酒泉郡，但愿生入玉门关”的恳切语言，请求和帝早日准其还乡。不料奏章虽上，三年杳无音信。妹妹班昭不得不再次上书，历陈其兄功绩及老病缠身之状，终于感动了和帝，下诏征班超回朝。永元十四年（102年）八月，班超终于回到阔别三十一年的中土，一个月之后便与世长辞了。