隋炀帝西巡的第二个目标是经通西域，招徕西域各国万方来朝，这项工作一直是交由裴矩来主持的。从史书记载来看，裴矩并没有随隋炀帝巡行吐谷浑，而是一直在张掖为隋炀帝的到来，做准备工作。另外，阎毗等部分官员和大批工匠也按预订计划，由河西走廊带着隋炀帝的观风行殿、大型营帐、服装道具等先行到达张掖。先期到达的还有被裴矩招来的西域各国使节。

大业五年(609)六月丙午(十一日),隋炀帝一行终于穿过大斗拔谷，来到张掖郡地界，由于队伍待休整，没有立即接见各方使者。经过约一周的休整，隋炀帝于壬子(十七日)率后妃百官及大批军队沿弱水向北进抵燕支山(今甘肃山丹县境达黄山),此山不算高峻，山外北边汉长城外，就是一望无际的大戈壁滩。长城内是农耕绿洲，隋炀帝在此搭起庐帐行宫，还有观风行殿，几十万人马扎营戈壁，营帐连接数十里，旌旗招展，人山人海。除行宫之外，由左翊卫大将军宇文述设置“斥候”(哨兵)进行警戒。敦煌莫高窟出土的中世纪文书中有一件隋大业五年六月十五日《甲具弓箭勘检牒》残片，记有当时对弓箭武器严格管理的事项，此时正是隋炀帝在河西巡行之时，这一珍贵的实物史料从一个侧面说明当时整个河西处在戒严状态，以确保隋炀帝的安全万无一失。

尔后，隋炀帝即以盛大的典礼接见了来朝的高昌王翻伯雅、伊吾吐屯设及西域二十七国(一说三十多国)使者。隋炀帝令阎毗“持节迎劳”,以威严典雅的中华礼仪作盛情的接待。

裴矩让高昌王及西域各国使者皆排列于隋炀帝经过的道路之左迎候，武威、张掖士女百姓“盛饰纵观”,个个穿上节日的盛服来看热闹，衣服车马不鲜者， “郡县督课之”。戈壁滩从未有过如此热闹的场景，巨大的排场是向西胡显示大隋王朝的强大和繁盛，显示隋炀帝的威武，皇帝亲至河西巡视丝绸之路，这是千年未有的盛事。

六月丙辰(二十一),隋炀帝登上观风行殿，大摆宴席，像前年招待突厥启民可汗一样，款待高昌王翻伯雅和伊吾吐屯设，各国使节也请来“陪列”。宴后，隋炀帝又分别赏赐各国使节，诸胡个个受宠若惊，感恩戴德不尽。

从大业五年(609)六月到九月盛夏的两个多月，隋炀帝一直在河西巡视。隋炀帝既敢于冒险穿越大斗拔谷，则可以肯定他尽其所欲去了他想去且能去的任何地方。《隋书·西域传·史臣曰》称“万乘西出玉门关”,说隋炀帝最西到了玉门关，这是中国皇帝足迹向西所至最远的地方。

九月秋凉，隋炀帝一行才沿着河西走廊返回。癸未(二十五日),车驾回到长安。从三月由此出发，到九月归来，前后半年时间。随从隋炀帝返京的还有高昌王翻伯雅、伊吾吐屯设、西域各国使节及大批胡商。十一月丙子(十三日),隋炀帝又把他们带到东都参观。为了进一步让四夷威服，裴矩向隋炀帝建议在东都大演百戏，盛陈文物，大开市禁，着力表现隋朝的富庶，进一步提高王朝的威望。

是年年底，郡国朝集使也毕集东都，隋隋炀帝下令“征四方奇技异艺，陈于端门街”,结果，衣锦绮、珥金翠者，以十数万。大业六年(610)正月丁丑(十五日),隋炀帝命在端门外盛陈百戏，戏场周围五千步，执丝竹器乐者一万八千人，如此众多的演员一齐表演，其鼓乐声闻数七里，令人耳目晕眩，夜里灯火光烛天地，繁花似锦。隋炀帝又令百官及洛阳士女百姓坐在街两旁搭好的“棚阁”上观看，观众也个个“被服鲜丽”,表演一直持续到月终，所费巨万。

诸国使者又请求入丰都市交易做买卖，隋炀帝欣然同意。

和巡游江都安辑南方一样，隋炀帝不用武力或少用武力，以大陈中华文物来威服四夷，通过精彩的歌舞百戏展示中国文化的无穷魅力，营造出欢欣富庶，万方同乐的气氛，使来自荒漠的胡羌惊叹不已。但是，民族关系相当复杂，夸示四夷虽能取得一时成效，却不能持久地维系华夷朝贡体制，还是有人不买账。就在隋炀帝西巡归来不久，西域形势就发生了变化。

铁勒莫何可汗出兵协助隋击破吐谷浑，吐谷浑灭亡后隋炀帝在其境设置四郡，铁勒却一无所得。隋炀帝西巡时伊吾吐屯设又向隋朝献地，使隋西境直接与铁勒接壤，加上高昌王归附大隋，阻断了铁勒南进之路，莫何可汗大为不满，趁伊吾吐屯设和高昌王随从隋炀帝往内地之机，乘虚攻占伊吾，并进逼高昌。隋炀帝不能甘心花费巨大钱财经略西域所获得的成果付之东流，即命右翊卫将军薛世雄会同东突厥，发兵联合征讨伊吾。东突厥因启民可汗已死，新立的始毕可汗并未如约发兵，薛世雄孤军越过流沙，以奇袭夺得伊吾城，并在汉旧城东筑新城，留将军王威戍守，裴矩散布说： “天子为蕃人交易悬远，所以城伊吾耳”。诸胡信以为真，不再来争夺，于是隋设伊吾郡，控扼丝路。

为了对付铁勒，隋又向西突厥泥撅处罗可汗联络，但处罗另有所图，不肯从命，裴矩于是又向隋炀帝献计分化瓦解西突厥。

归降隋朝的突厥阿波系处罗可汗残部人马不多，既无力回归故土，隋炀帝于是在大业八年(612)正月，将其大众一分为三：令处罗弟阿史那阙度设率羸弱万余口驻牧于会宁(今甘肃靖远县),又令特勤阿史那大奈率余众入塞居于楼烦郡(治今山西静乐),处罗赐号曷娑那可汗后率五百余骑常随隋炀帝巡游。然而，西突厥阿波——处罗一系是东突厥启民——始毕一系的冤家仇敌，隋炀帝不用处罗来对付西突厥射匮，却部署于靠近突厥的北境，必然引发东突厥新任可汗始毕的疑虑。东突厥在铁勒汗国灭亡之际收纳了大批东徙的契芯、薛延陀部众，势力也骤然强大，隋炀帝对此也只能听之任之。

隋炀帝的扩张野心太大，西域开拓事业在耗费了巨大财物之后已取得了前所未有的成就，本应珍惜并着力加以维护，但是隋炀帝却在紧要关头突然将经略的重点转向了东方的高句丽，从此忽略了突厥，使经通西域的成就前功尽弃。