今陕西华县），历时约两年，足迹遍布今陕西、河南、山西、内蒙古、宁夏、甘肃、青海、新疆等省区，甚至跨越昆仑山脉，抵达中亚地区，堪称“古代旅行史上的壮举”。其主要经历可分为以下几个阶段：
穆王从西郑出发，沿渭水西行，经今陕西宝鸡、甘肃天水，进入宁夏境内，随后北上至河套地区（今内蒙古鄂尔多斯一带）。此处是犬戎与其他游牧部落的交汇处，穆王在此与当地部落首领会面，赠送丝绸与青铜礼器，换取良马与皮毛，并与部落达成“互不侵扰”的协议，暂时稳定了北方边境。
离开河套地区后，穆王沿黄河西行，进入河西走廊（今甘肃境内）。此处是中原与西域的交通要道，分布着多个绿洲部落。穆王沿途拜访了焉支山、祁连山一带的部落，观赏了当地的自然风光，并在祁连山脚下举行了祭祀活动，祈求上天保佑西行顺利。据记载，穆王在河西走廊还获得了大量的玉石（河西走廊的昆仑山是古代著名的玉石产地），这些玉石后来被运回中原，用于铸造礼器与装饰宫殿。
西行的核心阶段，是穆王跨越昆仑山（今新疆昆仑山），抵达西域的“西王母之国”。《穆天子传》对这一情节的记载充满神话色彩：西王母是西域部落的女首领，“其状如人，豹尾虎齿，善啸，蓬发戴胜”（可能是对部落首领服饰与习俗的夸张描述）。穆王与西王母在瑶池举行了盛大的宴会，穆王赠送西王母“锦组百纯、黄金百镒”，西王母则回赠穆王“玄玉膏”（可能是当地的珍贵药材）。两人还一同游览了昆仑山的仙境，西王母为穆王吟诵诗歌：“白云在天，山陵自出。道里悠远，山川间之。将子无死，尚能复来？”穆王则回应：“予归东土，和治诸夏。万民平均，吾顾见汝。比及三年，将复而野。”这段记载虽充满传奇色彩，但也反映了西周时期中原王朝与西域部落的文化交流与友好往来。
会见西王母后，穆王因国内“徐乱”的消息传来，决定东返。东返路线与西行路线基本一致，穆王沿途再次拜访了此前会面的部落，巩固了与西域的联系。回到中原后，穆王将西行的经历详细记录下来，命史官整理成《穆天子传》，并向诸侯展示西行带回的玉石、良马等物资，彰显周王朝的“天威”。
穆王的西行巡游，虽带有一定的“神话色彩”与“个人探险性质”，但在历史上具有重要意义：
西行过程中，穆王与北方、西方的游牧部落达成和解，暂时缓解了边患；同时建立了与西域部落的联系，扩大了西周的政治影响力，使“周威远播西域”。
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