班超完成使命，率眾回都，把情況向竇固作了匯報。竇固大喜，上表奏明班超出使經過和所取得的成就，並請皇帝選派使者再度出使西域。皇帝很欣賞班超的勇敢和韜略，認為他是難得的人才，對竇固說：“吏如班超，何故不遣而更選乎？今以超為軍司馬，令遂前功”(《後漢書·班超列傳》)。竇固認為班超手下的人太少，想給他再增加一些。班超卻說：“願將本所從三十餘人足矣。如有不虞，多益為累”(《後漢書·班超列傳》)。
班超等人向西域進發，不久，到了于闐(亦作於真，王治西城，今新疆和田)。當時，于闐王廣德新近攻破莎車(王治莎車城，今新疆莎車)，在南道雄幟高張，匈奴人派使者駐在於闐，名為監護其國，實際上掌握著該國的大權。班超到于闐後，于闐王對他不修禮貌，頗為冷淡。于闐巫風熾盛，巫者對於闐王說：“神怒何故欲向漢？漢使有騧馬，急求取以祠我”(《後漢書·班超列傳》)。于闐王派人向班超討要那匹馬，班超早已清楚事情原委，痛快地答應了。但是提出要神巫自己來牽。等到神巫到來，班超不由分說，將他殺死，把首級送還于闐王，曉以利害，責以道義。于闐王早就聽說過班超在鄯善國誅殺匈奴使者的作為，頗為惶恐，當即下令殺死匈奴使者，歸附漢王朝。班超重賞了于闐國王及其臣子們。
當時，匈奴人扶立的龜茲(王治延城，今新疆庫車縣城東郊)國王倚仗匈奴的勢力在北道肆行無忌。他派兵攻破疏勒(王治疏勒，今新疆喀什市)國，殺死國王，另立龜茲人兜題為疏勒王，疏勒國實際掌握在龜茲人手中。第二年春，班超帶手下人從小道向疏勒國進發。班超行至兜題居住的架橐城九十里的地方，派手下吏員田慮去招降兜題。班超指示說：“兜題本非疏勒種，國人必不用命。若不即降，便可執之”(《後漢書·班超列傳》)。田慮隻身來見兜題。兜題見田慮勢單力孤，根本沒有投降的意思。田慮乘其不備，搶上去劫持了他。變起突然，兜提手下的人驚懼奔走。田慮乘馬疾馳，到班超處復命。班超當即來到架橐城。他把疏勒文武官員全部集中起來，向他們陳說龜茲種種不合理的行徑，宣布另立原來被殺掉的疏勒國君的侄兒叫“忠”的當國王。疏勒人大悅。新王和一班官員要殺死兜題，但班超從大局出發，為了宣示漢王朝的威德信義，說服大家，釋放了兜題。疏勒平定。
至此，班超兩次出使，憑藉智勇，已先後使鄯善、于闐、疏勒三個王國恢復了與漢朝的友好關係。
公元75年，漢明帝去世，焉耆(五治員渠城，一名南阿城，今新疆焉耆回族自治縣)國乘漢王朝大喪的機會，圍攻西域都護，殺死了都護陳睦。班超孤立無援，而龜茲、姑墨(今新疆溫宿、阿克蘇一帶)等國也屢屢發兵，進攻疏勒。班超跟疏勒王忠互為犄角，首尾呼應，拒守架橐城。雖然勢單力孤，但仍拒守了一年多。
公元76年，章帝即位，朝廷認為陳睦已死，擔心班超獨處邊陲，難以支持，下詔命班超回國。班超受命將歸，疏勒舉國憂恐。都尉黎弇說：“漢使棄我，我必復為龜茲所滅耳。誠不忍見漢使去”(《後漢書·班超列傳》)。說罷，拔刀自刎而死。班超率部至於闐，于闐國王侯百姓都放聲大哭，他們說：“依漢使如父母，誠不可去”(《後漢書·班超列傳》)。不少人還抱住班超的馬腿苦苦挽留。班超見狀，自知于闐父老決不會讓他東回，而他也想留在這裡，完成他立功異域的宏願，便毅然決定，不回漢朝，重返疏勒。疏勒有兩座城在班超走後，已經重新歸降了龜茲，並且與尉頭國(今新疆阿合奇)聯合起來，圖為大亂。班超捉捕反叛首領，擊破尉頭國，殺六百餘人，使疏勒復安。
漢章帝建初三年(78年)，班超率疏勒等國士兵一萬多人，進攻姑墨，並將其攻破，斬首七百級，孤立了龜茲。
五年(80年)，班超上書給章帝，分析西域各國形勢及自己的處境，提出了要趁機平定西域各國的主張。