26岁时，玄奘已是一位修养深厚的高僧来，恰好此时长安有位从印度而来的僧人，他向玄奘介绍了印度佛教的情况，特别提到了佛教中心那烂陀寺，这是当时佛学最高学府，此时玄奘心中第一次萌生了去西行取经的念头。由于当时唐朝政府因边境游牧民族的不断骚扰，对出境管理严格，因此玄奘多次上书申请西行均未获得批准，这一等就是一年，当年想与玄奘一起西行的僧人也纷纷放弃了西行的打算，最后只剩下了玄奘一人。
公元627年秋，中原发生饥荒，朝廷被迫开放关卡，允许灾民四处觅食，玄奘趁机混在饥民中，来到了边境城市凉州，但是凉州关卡盘查严格，玄奘又没有通关文鼎，于是这位高僧被迫变成一名偷渡者，偷偷溜出边境关口。玄奘从凉州城偷偷出发，昼伏夜出，抵达边关玉门关，玉门关外还有五座烽火台，烽火台上的官兵如果发现偷渡者往往是乱箭射死。一筹莫展的玄奘，偶然间遇到一名叫石槃陀的胡人，当他得知玄奘要远赴印度求法，心生敬仰，要跟随玄奘前往印度。熟悉关外地势的石磐陀带玄奘绕过玉门关，在流沙河畔却突起歹意想要杀掉玄奘，玄奘面对持刀逼近的石盘陀镇静盘坐闭目不视，见此情景石磐陀竟不敢下手，玄奘又一次顺利地度过了他生命中一个不小的惊险，但是第二天石槃陀推说前途凶险，家里上有老小离开了玄奘。
玄奘孤身一人来到西突厥帝国境内的碎叶城，在那里玄奘得到了西突厥可汗的帮助，并派了一队骑兵护送他西行。有了当时中亚最强大的帝国的护卫，玄奘的行程顺利了很多，就这样，玄奘偷渡玉门关，横渡绵延800余里的莫贺延碛大戈壁，经历了官兵追拿，徒弟背叛，路途迷失等一系列惊险，坚持西行三年后，玄奘抵达目的地印度摩羯陀国的那烂陀寺。玄奘在那烂陀寺五年潜心研习之后，离开那烂陀寺，开始游历印度众多邦国，学习各地佛法，几年后返回那烂陀寺，在摩竭陀国五年一次的佛学盛会上，玄奘讲论，任人问难，但无一人能予以请难。由此，玄奘名震印度，获得了佛教各宗派的最高赞誉。
会后以43岁的玄奘整理行装，重返东土大唐。由于此时玄奘已声名远扬，西域各国都热情欢送，因而一路顺利，于公元645年返回长安。据记载，玄奘法师到达时，长安上下轰动，道俗奔迎，倾都罢市，盛况空前。虽然最初玄奘是偷渡西行取经，但开明的唐太宗并没有怪罪玄奘，反而热烈欢迎。
