西域诸属国自王莽篡汉之后脱离中央王朝管辖，被北匈奴所控制。北匈奴得到西域的人力、物力后，实力大增，屡次进犯河西诸郡，使得边地人民不堪其苦。
永平十六年（73年），奉车都尉窦固等人出兵攻打北匈奴，班超随从北征，在军中任假司马（代理司马）之职。班超一到军旅中，就显示了与众不同的才能。他率兵进攻伊吾（今新疆哈密西四堡），在蒲类海（今新疆巴里昆湖）与北匈奴交战，斩获甚多。窦固很赏识他的才干，于是派他和从事郭恂一起出使西域。
经过准备之后，班超和郭恂率领部下向西域进发，先到达了鄯善（今新疆罗布泊西南）国。鄯善王对班超等人先是嘘寒问暖，礼敬备致，后来突然改度，变得疏懈冷淡。班超估计其中一定有原因，于是对部下说：“你们难道没觉察鄯善王的态度变得淡漠了么？这一定是北匈奴有使者来到这里，让他犹豫不决，不知道该服从谁好的原因。头脑清醒的人能够预见到还未发生的事情，何况现在已明摆着呢！”
于是，班超便把接待他们的鄯善侍者找来，出其不意地问他：“我知道北匈奴的使者来了好些天了，他们现在住在哪里？”侍者感觉出乎意料，仓猝间难以回答，只好把情况照实说了。班超把侍者关押起来，以防泄露消息。接着，立即召集部下三十六人，饮酒高会。
喝到酒醉的时候，班超故意激怒大家说：“你们诸位与我都身处边地异域，要想通过立功来求得富贵荣华。但现在北匈奴的使者来了才几天，鄯善王对我们就不以礼相待了。如果一旦鄯善王把我们绑送到北匈奴去，我们不都成了豺狼口中的食物了吗？你们看这怎么办呢？”大家都齐声说道：“我们现在处于危亡的境地，是生是死，就由司马你决定吧。”
班超说：“不入虎穴，焉得虎子。现在的办法，只有乘夜用火进攻北匈奴使者了，他们不知道我们究竟有多少人，一定会感到很害怕，我们正好可以趁机消灭他们。只要消灭了他们，鄯善王就会吓破肝胆，我们大功就告成了。”有人说：“这件事应当和郭从事商量一下。”班超大怒说：“是凶是吉，就在于此事。郭从事是平庸的文官，他听到这事必定会因为害怕而暴露我们的计划，我们就会白白送死而落下不好的名声，这就称不上是壮士了。”部下都一致称是。
这天天刚黑，班超就率领将士直奔北匈奴使者驻地。当时天上刮大风，班超命十个人拿着鼓藏在敌人驻地的后方，约好一见火起，就猛敲战鼓，大声呐喊。又命其他人拿着刀枪弓弩埋伏在门两边。安排完后，班超顺风纵火，一时间三十六人前后鼓噪，声势喧天。匈奴人乱作一团，逃遁无门。班超亲手击杀了三个匈奴人，他的部下也杀死了三十多人，其余匈奴人都葬身火海。
第二天，班超将此事报知郭恂，郭恂先是吃惊，接着脸上出现了感觉不公平的脸色。班超知道他心存嫉妒，便抬起手来对他说：“你尽管没有与我们一起行动，但我班超又怎么忍心独占这份功劳呢？”郭恂脸露喜色。班超于是请来了鄯善王，把匈奴使者的首级给他看，鄯善王大惊失色，举国震恐。班超好言抚慰，鄯善王表示愿意归附朝廷，并把自己的王子送到汉朝作为人质。
再使西域
班超完成使命后率众回师，并把情况向窦固作汇报。窦固非常高兴，上表奏明班超出使经过和所取得的成就，并请明帝再选派使者出使西域。明帝很欣赏班超的勇敢韬略，认为他是难得的人才，便下诏对给窦固说：“像班超这样的使臣，为什么不派遣他，而要另选别人呢？可以提拔班超担任军司马，让他继续完成出使的任务。”窦固认为班超手下的人太少，想给他再拨一些人马。班超却说：“我只要带领原来跟从我的三十多人就足够了，如果发生意外，人多了反而更增加累赘。”
班超等人向西域进发，不久，到了于阗国（今新疆和田）。当时，于阗王广德刚刚攻破莎车国（今新疆莎车），在天山南道称雄，北匈奴派使者驻在于阗，对外说是监护它，实际上掌握着于阗的大权。班超到达于阗后，于阗王对他并不很礼貌，态度颇为冷淡。
于阗的巫风兴盛，巫师对于阗王说：“天神发怒了，你们为什么想去归顺汉朝？汉使有一匹嘴黑毛黄的好马，你们赶快把它弄来给我祭祀天神！”于阗王派宰相私来比向班超讨要那匹马，班超早已清楚事情原委，痛快地答应了。但是提出要巫师自己来牵。等到巫师到来后，班超不由分说，将他杀死，并逮捕了私来比，痛打数百皮鞭。把巫师的首级送还于阗王，说明利害，以道义责备他。
于阗王早就听说过班超在鄯善国诛杀匈奴使者的作为，因此颇为惶恐，当即下令杀死北匈奴使者，重新归附汉朝，班超重赏了于阗国王和他的臣子，成功镇抚于阗。西域各国因此全都派出王子入朝为人质，西域与汉朝中断了六十五年的关系，至此才恢复。
当时匈奴人扶立的龟兹（今新疆库车县城东郊）国王倚仗匈奴的势力在天山道肆无忌惮，他派兵攻破疏勒国（今新疆喀什），杀死其国王，另立龟兹人兜题为疏勒王，疏勒国实际掌握在龟兹人手中。
永平十七年（74年）春天，班超带手下人从小道向疏勒国进发。班超行至兜题居住的架橐城九十里的地方，派手下吏员田虑去招降兜题。班超指示说：“兜题并不是疏勒人，疏勒国民一定不会为他尽忠效命的，他如果不肯投降，就将他扣押起来。”
田虑只身来见兜题。兜题见田虑势单力孤，根本没有投降的意思。田虑乘其不备，抢上去劫持了他。在这种突发事件下，兜提手下的人都惊惧奔走。田虑乘马疾驰，到班超处复命。班超当即来到架橐城，把疏勒文武官员全部集中起来，向他们陈说龟兹种种不合理的行径，宣布另立原来被杀掉的疏勒国君的侄儿忠当国王，疏勒人非常高兴。新王和一班官员要杀死兜题，但班超从大局出发，说：“杀他无益于大事，应该让龟兹知道大汉的恩威。”说服众人释放了兜题，疏勒也平定。
至此，班超两次出使，凭借智勇，已先后使鄯善、于阗、疏勒三个国家恢复了与汉朝的臣属关系。