两晋南北朝时期
三国魏、西晋时新疆仍然为中国领土。4世纪初,西晋因来自北方的游牧民族入侵而覆灭,历史进入五胡十六国时期。此间在中国西北部建立了一个又一个的不同民族的国家,包括前凉、前秦、北凉、后凉和西凉。如东晋太元八年(383年)前秦将军吕光受命率7万余众讨平西域。苻坚淝水之战兵败后前秦瓦解,吕光据有姑臧(今甘肃武威)于太元十一年(386年)称大将军、凉州牧。太元十四年(389年)吕光称三河王,后改称天王,史称后凉。 统治范围包括甘肃西部和宁夏、青海、新疆一部分。另外十六国时期维吾尔人祖先丁零人翟辽在今天河南黄河南岸建立的政权国号魏,史称翟魏,392年为后燕慕容垂所灭。这些政权都试图保持对新疆诸藩的控制。最终鲜卑的北魏重新统一中国北方,控制了今天新疆东南的一部分。疏勒、于阗、龟兹和且末等政权控制了西部,而中央吐鲁番附近则被北凉的延续者高昌所统治。 南北朝末期,西域出现了社会大动荡和民族大融合的局面。
5世纪末,吐谷浑和柔然开始分别侵入新疆南部和北部,中原政权(北朝)逐渐丧失对此地的控制。从6世纪开始,突厥在阿尔泰山地区崛起,数年间击败柔然,建立了西至咸海、东抵大兴安岭、横亘中亚的突厥汗国。583年突厥分裂为东西二部,新疆属西突厥。
隋唐时期
隋唐时期是我国封建社会空前繁荣、昌盛的时期。西元608年,隋朝在打败了连年入侵的吐谷浑之后,控制了今日的新疆东南部。开始之后中原王朝经营西域。
唐太宗贞观十四年(640年),唐军占领高昌,于该地置西州,又于可汗浮图城(今吉木萨尔)设庭州;同年在高昌设安西都护府,后迁至库车,改置为安西大都护府。统安西四镇:龟兹、疏勒、于阗、碎叶(今吉尔吉斯斯坦的托克马克市),辖境相当今新疆及哈萨克东部、吉尔吉斯北部楚河流域。自显庆元年(656年)至麟德元年(664年),这期间,是武则天为皇后辅佐高宗到垂帘听政阶段。在之后的二十年间,唐军发动了对西突厥的一系列远征,唐高宗发大军分南北两道进攻西突厥,一举灭掉了西突厥,在657年西突厥彻底投降,西突厥领土全部为唐所有。显庆、龙朔年间(661-663年),唐军平定西突厥,辖区扩大至今阿尔泰山西至咸海及葱岭的东西各部直至阿姆河两岸城的诸城邦国包括今新疆大部分。670年安西四镇被吐蕃攻占,693年武周再次占领。唐朝咸亨元年(670年),安西都护府治所移至碎叶城。702年在庭州设置北庭都护府,后又升为北庭大都护府,管理天山北麓及新疆东部地区的军政事务,而安西大都护府管理天山南部和葱岭以西的广大地区。唐玄宗开元年间,曾在两大都护府之上设碛西节度使,是当时全国八大节度使之一。非汉民聚居区,则设置羁縻府州。同时,还在龟兹、于阗、疏勒、碎叶(一度是焉耆)设军事建制,史称安西四镇。唐朝前中期,在西域的领土一直延伸到现在中亚的咸海。设立安西都护府管辖,都护府下面设都督府,都督府下面设州。安西都护府管辖地域包括现在的新疆大部、哈萨克斯坦东部,塔吉克斯坦大部,吉尔吉斯斯坦全部,阿富汗,伊朗等国的部分地区。751年7月唐朝与阿拉伯帝国阿拔斯王朝在西域发生冲突在怛罗斯之战大败于阿拔斯王朝,其后唐王朝在西域的实力并未受到影响,但接踵而至的安史之乱和藩镇割据导致唐朝无力经营西域,并自此退出对中亚霸权的争夺。原本臣服于唐朝的中亚诸国转而臣服于阿拔斯王朝和吐蕃王朝,伊斯兰教文化传入西域,改变了西域各国宗教信仰和文化成分。
8世纪中叶安史之乱发生时,吐蕃再次在之后的三十年内逐步控制了天山山脉南部的和河西走廊的广大地区,甚至在763年洗劫了唐朝京城长安。同时,回鹘人控制漠北漠南甚至到中亚的广大地区,包括新疆北部。9世纪中叶后,吐蕃和回鹘都衰落下来,这一地区进入混战时期。