自公元前221年秦始皇統一六國，建立起一個專制的統一國家，到兩漢時代(公元前206—220年)，中國封建社會的政治經濟文化都取得了突出的成就。古代地理學亦有很大進步，主要表現在地理認識、地理著作等方面的發展。
先秦時期，我國人民關於地球、世界的觀念主要有「蓋天說」、「大小九州說」等。秦漢時期，這些觀念仍在一定時期流行，但也出現了新的世界認識論(宇宙觀)，這就是「渾天說」的盛行。
「渾天說」源於何時，尚難斷定，但漢代已廣為流行卻是事實。如西漢時落下閎〔hóng紅〕、耿壽昌、東漢張衡都曾製造過以「渾天說」為理論基礎的天體模型——渾天儀。關於「渾天說」的主要內容，《晉書·天文志》中是這樣記述的：天像一個雞蛋，地如雞蛋中的蛋黃而居於天內，天大地小。天的內外都有水。天和地都漂浮在空氣中，載水而運行。一周天為365.25度，一分為二，一半在地上，一半在地下，所以二十八宿(星座)一半可見一半不可見。天像車輪一樣不停地運轉。
可見，這種見解比「蓋天說」等更接近科學的天地觀。首先，它提出了地的球體觀念及與天的大小關係(「地如雞子中黃」、「天大而地小」)；其次，又正確指出了天地皆為「懸浮」之物(「乘氣而立」)；再次，劃分了天體的度；第四，正確解覆地上，半繞地下」)。當然，這一見解也有一些明顯的不足之處，如：是地轉而不是「天轉」；天表裡並無水，僅大氣層中雲層成雨；以地球為天的中心等。
秦末漢初，居於我國北方的一支游牧民族——匈奴，利用中原戰亂，乘機發展，勢力很快達於我國西北及北方廣大地區，而且時常威脅漢朝，給西漢王朝造成了極大的政治經濟壓力。漢初甚至不得不採取「和親」政策，暫求苟安。到公元前140年漢武帝劉徹即位時，西漢國力已極為強盛，為了解決外患，他決心反擊匈奴。恰在這時，漢人從俘獲的匈奴人口中得知，屢受匈奴迫害而由祁連山下遷到伊犁河流域的大月氏人，「常恨匈奴」，夙有報仇之願。於是漢武帝便下令招募使者，準備派遣出使西域 ，聯合大月氏共同反擊匈奴。
這時，一位曾任皇帝侍從，名叫張騫的人便應募而出，受漢武帝派遣，為完成抗擊匈奴的政治使命，率100多名隨從，開始了我國歷史上有明確記載的最早的大規模地理探險旅行活動。
漢武帝建元二年(公元前139年)，張騫一行由匈奴人甘英作嚮導，從長安(今西安)出發，經隴西(郡治今甘肅臨洮縣南)，進入河西走廊，不料很快被匈奴人發現並俘獲。他們被押送到匈奴王庭(今內蒙呼和浩特市附近)，拘禁達10多年之久。直到元光六年(公元前129年)，張騫和甘英等人才得以逃脫，繼續西行，他們取道天山南麓，經大宛(中亞費爾干納盆地)、康居(今鹹海以東、費爾干納西北，即今烏茲別克和塔吉克境內)，到達大月氏。這時大月氏已由伊犁河流域遷到了媯〔guī龜〕水(今阿姆河流域)，這裡地理條件優越，物產豐富，他們對遠征匈奴已無多大興趣。因此，張騫在此交涉近一年，而始終不得要領，只好決定回漢朝復命。此間，他曾渡過媯水，去大夏國的藍氏城(今阿富汗瓦齊納巴德)進行訪問。
武帝元朔元年(公元前128年)，張騫離開大月氏，踏上歸途。他們翻越蔥嶺(帕米爾高原)，沿昆崙山北麓東行，經莎車(今新疆莎車)、于闐(今新疆和田)、鄯善(今新疆若羌)等，進入青海的羌人居住地，不料再次被匈奴俘獲，扣押一年多，直到元朔三年(公元前126年)匈奴內亂，張騫才再次逃脫，回到長安。
這次探險西行，歷時13年，出去時100多人，歸來時只有張騫與甘英二人，在政治上也沒有達到遠交大月氏夾擊匈奴的目的。但張騫久困匈奴，「持漢節而不失」的民族精神，特別是帶回大量豐富的西域新知識，深受人們的敬佩。因此，漢武帝封張騫為「太中大夫」(相當於皇帝的顧問)，甘英為「奉使君」。歷史上也就將這次空前的西域探險，稱為張騫「鑿空」西域。
此後，張騫還建議並參與過由西南通印度的地理探險，只因重重阻撓，進展不大。元狩四年(公元前119年)，為聯繫烏孫(今哈薩克阿拉木圖一帶)，張騫又率眾進行了第二次西域探險。這次他順利到達烏孫，並分派副使去大宛、康居、安息(波斯，今伊朗)等國。他於元鼎二年(公元前115年)回到長安，次年(公元前114年)卒於長安，歸葬故里漢中城固(今陝西城固縣)。此後，他所派出的副使也都陸續回到漢朝。
張騫20多年的探險活動，對當時人們認識西域地理、擴大地理視野起到了很大的作用。
我國先秦時代，對於西北地區的地理認識主要還限於甘肅河湟地區以東，到秦末漢初因受匈奴的威逼，對河西走廊及其以西的地理認識仍然比較模糊，直到張騫出使西域，才帶回了對這一地區的新知識，使我國人民對當時西域中亞一帶情況的認識，遠遠超過此前對西方地理的認識界限。因此，史稱他的活動為「鑿空」西域，是有道理的。
漢代，在我國新疆地區及其蔥嶺以西廣大中亞地區有許多大大小小的國家。張騫第一次出使西域就親自訪問了大宛、唐居、大月氏、大夏等國，經歷了焉耆(今新疆焉耆)、龜茲〔qiūCí丘詞〕(今新疆庫車)、疏勒(今新疆喀什)、于闐(今新疆和田)等，並從傳聞中了解到中亞地區的烏孫、奄蔡(今裏海、鹹海北)、安息、條支(大食，今伊拉克)、身毒(今印度)等地的情況。並了解了各國的相互地理位置、生活方式、自然地理狀況等。如他已了解到：以大宛為中心，「烏孫在大宛東北可二千里」；「康居在大宛西北可二千里」；「大夏在大宛西南二千餘里，媯水南」等。條支的氣候「暑濕」(溫暖濕潤)；「于闐之西，水皆西流，注西海；其東水東流，注鹽澤(今羅布泊)」。大宛、安息、大夏等國「其俗土著，耕田，田稻麥，有葡萄酒」(《史記·大宛列傳》)等。
張騫出使西域所帶回的新知識、新榮譽，極大地刺激了後來的探險活動與漢王朝對西域的開拓，更進一步加深了漢代對西域地理的認識。史稱，張騫出使西域後，皇帝也屢詢西域情況，鼓勵去西域探險，一時「使者相望於道，一歲中多至十餘輩」(《漢書·西域傳》)，「一輩大者數百，少者百餘人」(《漢書·張騫傳》)。貫通中亞的「絲綢之路」也由此大規模打開。到東漢時，不僅在西域派駐有「西域長史」(如班超等)，而且甘英還曾為聯繫大秦(羅馬)，由中亞抵達地中海東岸。這些都極大的刺激、充實了當時人們對西方世界的地理認識。
總之，由張騫開創的西域地理認識，是中國現存文獻第一次對西域中亞，以至地中海東岸的世界較為正確的地理記述。他使中國人民對西方世界地理的認識界限，一下子由河湟沙漠地帶，推進到地中海東岸廣大中亞地區。
司馬遷(約公元前145年—？)今陝西韓城人，著名的歷史著作《史記》的作者。他不僅是一位偉大的歷史學家，而且是一位著名的旅行家、地理學家。從《史記》中可以看出，他曾遊歷過全國很多地方，寫出了如《河渠書》、《貨殖列傳》、《大宛列傳》等優秀的地理篇章，不僅正確反映了當時人們的地理認識水平，也反映了他的一些地理思想。
司馬遷的旅遊考察大致是由他20歲時(公元前126年)開始的。第一次他就遊歷了長江中下游及山東等廣大地區。武帝元鼎元年(公元前116年)，他作了郎中官(皇帝侍從，侍衛)，此後他隨漢武帝幾次出遊考察：元鼎四年(公元前113年)十月，他隨武帝祭雍州(今陝西鳳翔)，巡河東，渡黃河至汾陰(今山西萬榮)，最後至洛陽。這次大致遊歷了關中北部，最後由韓城龍門過黃河至山西，再轉而西南去洛陽，返回長安。元鼎五年(公元前112年)，他隨漢武帝「行幸雍，祀五帝」後，向西巡遊，越過隴山(今甘肅平涼西)，直至祖厲河，然後由此經甘泉(今陝西淳化)回到長安。
不久，他又「奉使西征巴蜀以南」，大致到了雲貴高原一帶，於元封元年(公元前110年)始回到長安。接著又去洛陽探視父病，然後由洛陽去泰山參加漢武帝的封禪大典(《史記·封禪書》)。封禪後又隨武帝東巡海上，北至碣石(今河北昌黎)，經遼西(今河北盧龍縣東)，歷北邊至九原(今內蒙古包頭市西)，轉而向南沿秦直道回長安，「周行一萬八千里」。元封三年(公元前108年)，司馬遷繼承父職為太史令，從此結束了他近20年的漫遊生活。他的足跡遍布了全國廣大地區，正如他自己所說「余尚西至空桐(今甘肅平涼崆峒山)，北過涿鹿，東漸于海，南浮於江淮矣」(《史記·五帝本紀》)。通過對《史記》有關地理內容的研究，我們可以看出當時司馬遷已具有一些較科學的地理認識。
第一，認識到地理因素在安邦立國