班超回到汉朝，汉明帝提拔班超做军司马，又派他到于阗去。明帝叫他多带点人马，班超说：“于阗国家大，路程又远，就是多带几百人去，也不顶事。如果遇到什么意外，人多反而添麻烦。”结果，班超还是带了原来的三十六个人到于阗去。当时，于阗王广德新近攻破莎车（今新疆莎车），正雄帜高张，匈奴人派使者驻在于阗，名为监护其国，实际上掌握着该国的大权。班超到于阗后，于阗王见班超带的人少，接见的时候，并不怎么热情。班超劝他脱离匈奴，跟汉朝交好。他决定不下，找巫师向神请示。那个巫师本来反对于阗王跟汉朝友好，他装神弄鬼，对于阗王说：“你为什么要结交汉朝？汉朝使者那匹浅黑色的马还不错，可以拿来给我。”于阗王派国相向班超去讨马。班超说：“可以，叫巫师自己来拿吧。”那巫师得意洋洋地到班超那儿取马。班超也不跟他多说，立刻拔出刀把他斩了。接着，他提了巫师的头去见于阗王，责备说：“你要是再勾结匈奴，这巫师就是你的榜样。”于阗王早就听说过班超在鄯善国诛杀匈奴使者的作为，颇为惶恐，当即下令杀死匈奴使者，归附汉王朝。
鄯善、于阗是西域的主要国家，他们结交了汉朝，别的西域国像龟兹（今新疆库车县一带）、疏勒（今新疆喀什噶尔一带）等也都跟着跟汉朝和好了。
公元74年，班超继续向西挺进，来到疏勒（今新疆喀什）。他在周密地分析了疏勒的局势之后，采取果断措施，生擒并废掉统治疏勒的龟兹贵族兜题，另立疏勒前王兄子忠为王，从而稳定了政局。由于班超节节胜利，丝绸之路的南道基本打通，北道的东西两端也为汉朝所控制。根据这种形势，汉朝重新设置了西域都护和戊己校尉，为丝绸之路的复通创造了条件。
公元75年，汉明帝驾崩，北匈奴在西域的势力乘机进行反扑，汉朝尽撤西域屯兵，使独留疏勒的班超孤立无援，故汉章帝命令班超还朝。这一消息迅速在疏勒国传开，引起上上下下的极大恐慌和不安。有个叫黎合的都尉，竟以死劝留，引刀自刎。当班超来到于阗时，其王侯和百姓呼号悲泣，诉说苦衷；不少人还匍匐在地，抱住班超等人的马脚，苦苦挽留。看到这种情景，班超深为感动，他不顾朝廷命令，毅然决定留在西域。当他返回疏勒后，经过深思熟虑，以疏勒为基地，联合附近各国，力争打开局面。
公元78年，班超统率疏勒、于阗、汗弥及康居诸国的士兵一万余人，攻破姑墨（今新疆拜城），从北面解除了对疏勒的威胁。为了平定西域，保护丝绸之路的畅通，他又上书东汉政府，请求派兵援助。朝廷即派徐干为假（代）司马，率兵一千余人前去增援。班超以将兵长史的官职，率领徐干的援军，联合西域各国的力量，经近十年的艰苦努力，先后平定莎车、龟兹、尉犁、危须（今新疆博斯腾湖北）、焉耆等地贵族叛乱，并击退贵霜王朝（今阿姆河流域）的入侵，使西域五十余国重新置于东汉的管辖之下，疏通了丝绸之路的南北通道，保障了西北边疆的安全。公元91年，班超出任西域都护，管辖西域各国，驻龟兹的它乾城；徐干为长史，驻疏勒。至此，班超通西域的历史任务胜利完成。汉和帝下诏褒奖他的功劳，并封为定远侯。班超还曾派部下甘英出使罗马帝国。甘英到了波斯湾后为大海所阻，没有完成使命。
班超的大半生转战在西域疆场，他机智勇敢，叱咤风云，为进一步开通和巩固丝绸之路，为加强中原和西域、中国和外国的友好往来，建立了不朽的历史功勋。公元100年，他给皇帝写了一封书奏，表达了“不敢望到酒泉郡，但愿生入玉门关”的愿望。在他71岁时，朝廷调他回到京都洛阳，任为射声校尉，不久便与世长辞。这位为丝绸之路复通和西域人民的安宁奉献了一生的人，为中华民族留下了一代雄风。
班超的继任者是戊己校尉任尚。任尚在西域数年，诸国相继反叛，任尚以有罪被征调回中原。
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