唐朝初年，北部有东突厥，是个游牧的奴隶主奴役许多部落的军事政权，占据戈壁沙漠的南北，经常掠夺唐朝北部，是唐朝的严重威胁。西北有西突厥，也是个游牧的奴隶主奴役许多部落的军事政权。它占据东起今新疆巴里坤湖，北起阿尔泰山脉，西到里海，南踰阿姆河的广大地区，天山南北，帕米尔和中央亚细亚都在其役属之下。反击突厥的掠夺和奴役，是广大的各族人民的要求。
630年，东突厥投降唐朝，戈壁沙漠以南完全归唐版图，唐又灭掉薛延陀，戈壁沙漠北面也归唐的版图。唐朝便在大漠南北，置府列州，设邮递，普遍建立统治机构。
唐在灭亡东突厥之后，向西用兵，到648年在天山南道建立了统治，到657年，灭掉西突厥。这样唐朝经二十八年的战争，解除了西突厥对唐的掠夺和对西域的奴役。
包括巴尔喀什湖、楚河流域和帕米尔高原、阿尔泰山南北的广大地区，全属唐朝的领士。
唐的统一，是历史发展的要求。自东汉末年以后，我国陷于封建割据的状态。封建统治阶级的长期混战，使社会经济遭到严重破坏，因而各族人民迫切要求统一。西域随着全国各地统一于唐朝，是历史发展的必然趋势。
唐在今新疆东部从630年到648年实行了州、县、乡、里的制度。伊州的州治在伊吾城（今哈密县城或其附近）：西州，州治在高昌（今吐鲁番东南达克阿奴斯城）。
伊州和西州，在《新唐书•地理志》是和内地州、县并列在一起的，说明是和中原的地方行政机构完全一样。庭州，州治在金满县（吉木萨尔北护堡子破城遗址）。三州共辖十二个县。州内户口及赋税上报到户部，施政均和中原州、县一样。
唐在西域其他地区都实行都护府、都督府、州的制度，唐对原来的部落首领均给予加委，都护则由唐中央政府派遣。
唐朝在640年，于西州设置安西大都护府，后来迁至龟兹。到702年，又在庭州设北庭大都护府。这两个大都护府，都属唐的陇右道。
安西大都护府下辖都督府最多。在葱岭以东有龟兹都督府，治所库车，下领九州；疏勒都督府，治所今喀什，下领十五州；毗沙都督府，治所今和田，下领十州；焉耆都督府，治所焉耆，不分州。龟兹和疏勒两个都督府一北一南，西边辖地都到帕米尔高原。
658年，唐朝在今锡尔河和阿姆河间、咸海以东、哈萨克的东南部和乌兹别克，设有八个都督府。例如康居都督府治为今乌兹别克斯坦的撒马尔罕，大宛都督府治为今乌兹别克的塔什干，安息州治为今乌兹别克的布哈拉，休循州都督府治即今乌兹别克的费尔干纳。
这些全是西汉以前居住在甘肃西部的月氏，迁来此地，支庶蕃衍，分为许多部落，史称为“昭武九姓”。据文献的记载，661年，唐在阿姆河南、葱岭以西，波斯以东（今土库曼）的地方，设有十六个都督府，如鸟飞州都督府、至拔州都督府等，将各部落分属于州、县，州八十八，县一百一十。
北庭大都护府下辖昆陵、濛池两都护府。昆陵都护府管辖天山北道，北至阿尔泰山，西止楚河，包括巴尔喀什湖广大地区。《新唐书•地理志》列举二十三个都督府归昆陵都护府管辖。濛池都护府管辖楚河以西原来西突厥的五弩矢毕部。
大都护府是唐在西域的最高权力机关，统辖军事、行政各方面的事务。主管官员为大都护，其下设有许多分工不同的专职官员。
唐朝曾派重兵驻屯西域各地。隶属于安西都护府或安西大都护府的有碎叶、于阗、龟兹、疏勒四镇，历史上称为“安西四镇”，来保护天山南北两条中西交通要道，便于迅速开赴各地，镇守西部疆土。
碎叶镇，是四镇中最西的一镇。位置在今巴尔喀什湖以南、楚河南岸的托克玛克。是当时中西陆路交通的中心。唐代的玄奘在《大唐西域记》中译作“素叶”：“…•⋯清池（今伊塞克湖）西北行五百余里至素叶水城，城周六、七里，诸国商胡杂居也。”楚河，在中国文献上还曾称为碎叶河、吹河、潮河。
玄奘在唐初游历印度，曾路过碎叶，并且在碎叶城拜会当时西突厥的首领统叶护汗。在慧立的《大唐慈恩寺法师传》中有记叙。公元657年置镇后，唐朝政府十分重视，“保大军，屯碎叶城”。从长安派遣杜怀宝、王方翼等先后任安西都护，均曾镇守过碎叶，而且王方翼筑碎叶城在
679年，史籍记载得十分清楚。唐代的大诗人李白便是诞生在碎叶。唐代还有一个诗人岑参，曾在北庭大都护府任过大理评事、度支副使，写过许多有关的诗，讲到伊塞克湖的也不少，“伊塞克”，是突厥语，热的意思。伊塞克湖在岑参诗中称为热海，如“热海主铁门•••••”（《武威送刘单归官赴安西行营便呈高开府》），“海上众鸟不敢飞，中有鲤鱼长且肥。岸傍青草常不歇，空中白雪遥旋灭”（《热海行送崔待御还京》）。唐代官员来往于道，巴尔喀什湖、伊塞克湖和楚河是多么中原人们所熟悉。又在塔什库尔干设葱岭守捉，控制帕米尔的山口。北庭大都护府辖有瀚海军（在庭州）、伊吾军（在伊州）、天山军（在西州）。
唐朝在西域推行了“均田制。”唐太宗曾派人在西州，宣布将当地官有土地分给官吏、乡绅和农民。出土的西州户籍册、地亩帐上，均署明“永业田”、“口分田”、“居住园宅”、“应受田”、“已受田”、“未受田”等字样。证明了均田制在今新疆东部已普遍地得到推行。
唐朝在西域进行征税，租庸调法也推行到了西州。
在天山南北两路的焉耆、龟兹、于阗、疏勒和天山山脉北麓的轮台等要镇征收商税。吐鲁番出土的户籍册残卷上多有注明：“课户”，“不课户”字样，即交租庸调户和不交户。唐代西州向人民征收赋税的文书《西州征物残碟》保存至今，上面注明缴纳租赋人的姓名和缴纳物品的名称、种类和数量。有的文书上还清楚地写着缴纳租赋的年份，如“开元十三年”（725年）。《高昌县征夫残牒》上还记载着征发徭役的情形。这些都说明了唐朝对西域的管辖，在新疆东部是和中原地区一样的。
唐朝还通过安西大都护府和北庭大都护府，向西北部和西部边疆征收贡税。而且是和陇西渭州、张掖甘州、酒泉肃州、敦煌沙州并列，可见和这些郡州，视同一体。
上述情况表明，在唐朝统治期间，西域统一于全国后，又发展到一个新的历史阶段，远比两汉更为紧密地结合在一起。这种统一的加强，使西域和中原的经济、文化交流更为频繁，中原比较先进的经济文化对西域的影响更大。中原的养蚕术和造纸术，此时已传入西域。而制糖的方法，是此时由印度传入中国的。举凡这些，足以证明：唐代中西经济文化的交流远远超过两汉。
唐朝以后，中国出现了暂时的分裂局面。契丹贵族为主联合汉族地主建立了北方的辽朝。后来，宋朝建立，和辽朝南北对峙，其势力范围也达到天山南北及其以南。
1124年金朝灭辽的前一年，辽皇族耶律大石西走中亚，利用辽在西部的势力，建立政权，号西辽，国都设在虎思幹耳朵（今锡尔河北吉尔吉斯斯坦的塔拉斯城东），其疆域西到咸海，南面到浩罕，东部包括斋桑湖和巴尔喀什湖一带。统治达八十八年，在1211年灭亡。
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