西汉通西域的道路，据《汉书西域传》：“自玉门、阳关出西域有两道。从鄯善傍南山北，波河西行至莎车，为南道；南道西逾葱岭则出大月氏、安息。自车师前王庭随北山，波河西行至疏勒，为北道；北道西逾葱岭则出大宛、康居、奄蔡焉。”但这段记载，对于玉门关至莎车或疏勒的路线，记述过于简略。为了深入探讨这个问题，还应参考《魏略》的记述。《三国志魏志乌丸鲜卑东夷传》注引《魏略西戎传》云：“从敦煌玉门关入西域，前有二道，今有三道。从玉门关西出，经婼羌转西，越葱岭，经县度，人大月氏，为南道。从玉门关西出，发都护井，回三陇沙北头，经居卢仓，从沙西井转西北，过龙堆，到故楼兰，转西诣龟兹，至葱岭，为中道。从玉门关西北出，经横坑，避三陇沙及龙堆，出五船北，到车师界戊己校尉所治髙昌，转西与中道合龟兹，为新道。”其中关于中道与新道的记载较为翔实，为我们探讨汉代的具体路线，提供了重要线索。
关于西汉北道，据《汉书西域传》，当自车师前王庭始。但《史记大宛列传》云：“贰师将军军既西过盐水，当道小闺恐，各坚城守，不肯给食。”又，“宛国饶汉物，相与谋曰：汉去我远，而盐水中数败，出其北有胡寇，出其南乏水草。”又，“初，贰师起敦煌西，以为人多，道上国不能食，乃分为数军，从南、北道。”又，“于是贰师后复行，兵多，而所至小国莫不迎，出食给军。至仑头，仑头不下，攻数日，屠之。自此而西，平行至宛城，汉兵到者三万人。”据此，李广利初次伐大宛，由玉门关西出，经盐水至大宛；二次伐大宛，分军两路，一路由北道，经盐水、仑头西行至大宛，一路由南道至大宛。按，盐水即盐泽；仑头即轮台《汉书西域传》云自贰师将军伐大宛之后，于是自敦煌西至盐泽，往往起亭，而轮台、渠犁皆有田卒数百人，置使者校尉领护，以给使外国者。”又云鄯善国，本名楼兰，楼兰国最在东垂，近汉，当白龙堆，乏水草，常主发导，负水儋粮，送迎汉使。”又云：“初，武帝感张骞之言，甘心欲通大宛诸国，使者相望于道，一岁中多至十余辈。楼兰、姑师当道，苦之。”由此可知，西汉北道当自楼兰始，由楼兰经渠犁、乌垒、轮台而至龟兹。其走向当如《魏略》所言之中道。故武帝征和四年(前89年），遣重合侯马通“击匈奴，道过车师北，复遣开陵侯将楼兰、尉犁、危须凡六国兵别击车师”之时，宣帝地节二年(前8年），遣郑吉、司马熹“将免刑罪人田渠犁，积谷”，“至秋收谷”，“击车师，攻交河城”时，其行军路线，均由渠犁经尉犁、焉耆、危须，而至车师，而车师王逃往乌孙后，“乌孙留不遣，遣使上书，愿留车师王，备国有急，可从西道以击匈奴”。所谓“西道”，即由渠犁，越焉耆盆地，而达于车师的道路。
但是，自敦煌以西至楼兰一线，自然条件极为困难，尤以三陇沙、白龙堆一带，环境险恶，素为旅行者视为畏途。西汉采此路线，当为地理环境和当时政治形势所迫。
以地理环境而言，塔里木盆地为天山、喀喇昆仑山、昆仑山和帕米尔高原所环绕，仅东部有宽约70公里之缺口与河西走廊相连。但此缺口为我国极端干旱区之一，其自然景观之显着特点为，剥蚀残丘低山、戈壁、风蚀地、沙丘、盐土平原穿插交错缺口南端为库姆塔格沙漠，面积达2500平方公里，全为流沙，主要分布于沟间梁状山坡，其山前地带之妙垄，因受东北风影响，多作东北至西南向依山坡延伸，故历史上称之为“三陇沙但在沙漠东缘，南北向沟谷的源头，有泉水出露，7JC分植被条件较好，为沙山中不可多得的绿洲，如多坝沟、崔木土沟等，为长途跋涉沙海者提供了休憩露宿地。库姆塔格沙漠之北，为疏勒河下游和罗布淖尔。疏勒河下游，由于库姆塔格沙漠北部东北向突出部的阻挡，向南流入榆树泉盆地，旧称低石湖。盆地内，遍布沼泽、湖泊，沼泽周围等地下水浅处，多为光裸之结壳盐土和盘结盐土，起伏难行；但东部和南部边缘处，有泉水出露，可供通行。罗布淖尔为塔里木盆地最低处，海拔仅780米，被库姆塔格沙漠北部突出部与榆树泉盆地分隔。在罗布淖尔东北，库姆塔格沙漠与克孜勒塔格山之间，有一东北至西南走向的断层带，内有呲牙井（贝什托格拉克)、库木库都克等多处泉水出露，差可行人。由于疏勒河下游、罗布淖尔和塔里木河、孔雀河下游地区的河、湖相沉积层，不断受风力之侵蚀，在此间形成风蚀台地和风蚀凹地相间之“雅丹”地貌，致使地面支离破碎、坎坷不平。在罗布淖尔碱地北端东、西侧，以粘土组成之风蚀台地，顶面多有盐壳层，故历史上称之为“白龙堆”。由于风蚀地貌的发育，加之起伏的盐壳层(一般起伏在I米左右，最大可达35米），使这一带的交通条件极为艰辛。但此地以北为库鲁克塔格山脉所阻，以南为阿尔金山脉分隔，由中原人西域，以经由此地的路径最为直捷。故西汉使西域者，虽历尽风险，仍采此路线进入塔里木盆地。
西汉采此路线的另一重要原因，乃囿于当时的政治形势。据《史记大宛列传》、《汉书西域传》等有关史籍记载，武帝元封三年(前108年)前，西域为匈奴所控制。蒲类海以东为匈奴日逐王领地，日逐王不仅占据吐鲁番-哈密盆地，并置僮仆都尉，“常居焉耆、危须、尉犁间”，控制塔里木盆地出人口，以掠取西域各国之人力、财物，支持匈奴与汉王朝的斗争。武帝即位后，为“断匈奴右臂”，控制塔里木盆地入口，于元封三年遣从票侯赵破奴俘楼兰王，破车师因暴兵威以动乌孙、大宛之属”。未久，又于太初元年至四年(前104前101年），遣贰师将军李广利两次伐大宛，“贰师将军之东，诸所过小国闻宛破，皆使其子弟从军人献，见天子，因为质焉”。随后，于北道置渠犁屯田，“置使者校尉领护，以给使外国者”。昭帝时，再置轮台屯田。但直至宣帝，汉才遣卫司马郑吉“使护鄯善以西数国”。此时，汉虽完全控制南道，然而“未能尽并北道也”。汉王朝未能“尽并”北道的原因，在于对车师的争夺。车师，位于天山南北之通道口，为匈奴进人塔里木盆地的主要交通枢纽，匈奴控制车师，不时袭扰北道，给汉使进入西域构成严重威胁。故对车师的争夺，成为汉与匈奴在西域斗争的焦点。匈奴“单于、大臣皆曰：车师地肥美，近匈奴，使汉得之，多田积谷，必害人国，不可不争也。”自武帝天汉二年(前99年)后，汉与匈奴在车师多次易手，直至宣帝元康四年(前62年)后，汉才暂时控制了车师，“置戊己校尉屯田，居车师故地”。宣帝神爵三年(前59年），匈奴“日逐王畔单于，将众来降，护鄯善以西使者郑吉迎之。乃因使吉并护北道，故号曰都护。都护之起，自吉置矣。僮仆都尉由此罢，匈奴益弱，不得近西域”。至此，汉王朝始完全控制北道，于北道中心、近渠犁屯田区之乌垒城，置都护府，以屯田校尉属都护。元帝时，复置戊己校尉，屯田车师前王庭。宣、元时期，汉对西域之经营达到鼎盛，故西汉北道，亦以此时最为畅通。
至于玉门关至楼兰段的走向，据近年实地调查与新获马圈湾汉简资料，自玉门关西出后，当沿长城内侧西行。如前所述，西汉塞墙止于榆树泉盆地东侧之马迷兔。由小方盘城向西至塞墙终点，沿线除被沼泽、湖滩切断外，未见有设置关口之遗迹。塞墙终点的南北两侧，属大煎都候管辖之烽燧，呈扇形分布于榆树泉盆地东侧。其中位于马迷兔西南之烽燧，均筑于盆地边缘之砂梁或风蚀台地上，面向盆地，有的烽燧并于盆地与烽燧间设置“天田”。故西汉入西域的路线，应沿塞墙内侧向西偏南，至马迷兔附近折向西南，沿烽燧内侧之砂梁间，经吐火洛、天桥墩泉至湾窑。今马圈湾新获汉简中，如：
“敦德”即敦煌，为王莽所改名。玉门千秋燧的位置，尚不可考。但据马圈湾新简：
元康元年七月壬寅朔曱辰，关啬夫广德、佐熹，敢言之：敦煌寿陵里赵负，趣自言：夫祈为千秋燧长，往遗衣用。以令出关。敢言之。（79.D.M.T9：27)据此，千秋燧应位于玉门关外，属玉门候官管辖的4烽燧之一。大煎都候，据王国维考证，治凌胡燧，即T6(D3)。该炉位于湾窑北偏西之砂梁上。证明西汉与西域之交通，确经塞墙内侧往西至湾窑。
湾窑以西的路线，据厌胡燧(TCc，D2)、广昌燧(TCd，Dl)分布之方位，应沿烽燧南侧，即库姆塔格沙漠北缘与榆树泉盆地结合部之泉水带西行，至哈拉齐。今有逶迤曲折之古道可证。再由哈拉齐向北，沿榆树泉盆地西侧，亦即库姆塔格沙漠北部东北向突出部之东侧边缘，越突出部北端至呲牙井(贝什托格拉克)以东之居卢訾仓遗址。
呲牙井(贝什托格拉克)位于库姆塔格沙漠与克孜勒塔格山之间断层带的东端。此断层带为榆树泉盆地至罗布淖尔间唯一可取得水源处。古道由呲牙井(贝什托格拉克)沿断层带西南行，经矮山井(波波拉井）、保贝拉井(科什库都克），至羊塔格库都克。《魏略西戎传》云从沙西井转西北，过龙堆，到故楼兰。”“沙西井”疑即羊塔格库都克。其位置正当库姆塔格沙漠北部突出部之西侧。今古道自羊塔格库都克西南分歧：一道往西北，沿断层带北缘，越白龙堆，经罗布淖尔北岸之土垠汉代烽燧遗址北，至楼兰遗址；一道往西南，至婼羌。往西北至楼兰之古道，应即西汉之北道。
楼兰遗址，据《汉书西域传》，其方位应在白龙堆西。据新疆社会科学院考古研究所调査，其确切位置在东经89。5522"、北纬西汉南道，据《汉书西域传》，自鄯善始。但“鄯善国，本名楼兰”，楼兰的确切位置如前述，当在罗布淖尔西北岸、今孔雀河口之西南，为北道之始。昭帝元凤四年(前77年），“大将军霍光白遣平乐监傅介子往刺其王”，“介子遂斩王尝归首”、“乃立尉屠耆为王，更名其国为鄯善”，大约于此时迁都扞泥城，“于是汉遣司马一人、吏士四十人，田伊循以填抚之。其后更置都尉。伊循官置始此矣”据此，南道始于鄯善，应为昭帝元凤以后的事。
《汉书西域传》云自玉门、阳关出西域有两道此处玉门与阳关并列。故西汉时，出两关后，道路似有交叉，出玉门关者可行南道，出阳关者亦可行北道。故出使莎车者，可至玉门都尉治所，而婼羌去胡来王唐兜，亦可由南道“东守玉门关”。王国维认为，汉时南北两道分歧，不在玉门、阳关，而当自楼兰故城始。此意见于元凤前当是。但鄯善国都南迁后，南北两道分歧处，当已移往楼兰故城以东。《汉书西域传》所称“鄯善当汉道冲”，乃指南迁后之扞泥城。
西汉南道阳关至鄯善段的具体路线，据近年实地调査，自阳关西出后，越沙丘至崔木土沟，再西南至多坝沟，折西北至湾窑。沿途有汉烽指路，蜿蜒古道，历历在目，露宿野炊遗迹犹存。湾窑即西汉大煎都候障遗址。南道至此与北道相合。自此西行，至羊塔格库都克。如前所述，元凤前，与北道同向西北，至楼兰分歧。南道向西南，沿车尔臣河西行。元凤后，于羊塔格库都克西南分歧。南道向西南，沿库姆塔格沙漠与克孜勒塔格山间断层带南缘，经库木库都克、土牙、班扎布拉克，罗布淖尔南岸之库什兰萨、落瓦寨和库姆塔格沙漠西端之墩力克、米兰、羊达什喀克，至婼羌。按汉伊循城遗址位于今米兰，鄯善国都扞泥城即今若羌县城。故现存之西南向古道，应即西汉之南道遗迹。