大汉分鼎，魏晋沦丧，五胡乱华，神州陆沉，华冠南渡，仓皇不及西顾。西域成为先后涌来的游牧民族拉锯战的战场，匈奴、铁勒、鲜卑、柔然、高车、嚈哒、突厥先后控制西域。其中短暂统一黄河流域的北朝都曾一度恢复西域都护，但是政权的不稳定，导致西域的控制极其脆弱。其中后秦皇帝苻坚派大将吕光一举收复西域，但吕光回师之时，苻坚已经在淝水之战中大败，其后亡命覆国，大将吕光就地在凉州割据并统领西域。
汉武帝时代张骞凿通的西域只有三十六国，西汉末年的西域已经有五十余国，其中楼兰（后为鄯善）、车师（后为高昌）、焉耆、龟兹、疏勒、莎车、于阗七个强国。经过五百年的大漠尘烟，隋唐时代的西域只剩下高昌、焉耆、龟兹、疏勒、于阗五个强国。而传说中的楼兰，即是南迁后的鄯善，早在南北朝时代被拓跋北魏军队灭国，设置为鄯善郡，按照中夏的郡县治理。
糅合鲜卑血统的隋唐帝国锐意进取。贞观四年（公元630年），唐太宗派大将李靖消灭了东（敏感瓷）突厥，其后集中精力消弭控制西域的西突厥之患。贞观十四年（公元640年），唐太宗派大将侯君集灭高昌，其地设置为西州，纳入中夏的州郡治理；同年，设立安西都护府，标志着唐代经营西域的肇始。其后唐太宗逐步取得西域剩下的焉耆、龟兹、疏勒、于阗四国，这便是大唐安西都护府最初的“安西四镇”。
显庆二年（公元657年），唐高宗的大将苏定方灭亡了西突厥，在西突厥地区设置蒙池都护府（汉代康居故地）、昆陵都护府（汉代乌孙故地），隶属于安西都护府。龙朔元年（公元661年），西突厥藩属的吐火罗诸族（汉代大宛和月氏故地）归附，唐朝以其十六国设置为十六个都督府，也隶属于安西大都护府。调露元年（679年），唐高宗将“安西四镇”更易为龟兹、疏勒、于阗、碎叶（楚河河谷口）。
唐代安西大都护府的辖境：东至沙洲（汉代楼兰故地）、西州（汉代车师故地），西至咸海（汉代康居故地），北至夷播海（巴尔喀什湖，汉代乌孙故地）、沙陀碛（库尔班通古特沙漠），南至昆仑山、河中地区，灭亡西突厥得到其疆域的同时，几乎囊括了汉代乌孙、康居、大宛、月氏、罽宾的区域。
此时，唐代安西大都护府的管辖地包括安西四镇、濛池、昆陵都护府（西突厥故地）、昭武九姓、吐火罗乃至波斯都督府，大体相当于今日新疆与中亚五国、阿富汗的总和。其中，一个仅仅维持了三年的波斯都督府颇值得一提。阿拉伯帝国的强势崛起，很快就侵入伊朗高原，延续汉代安息帝国的萨珊王朝灭亡，一个波斯王子逃到唐朝请求援助复国。唐军护送波斯王子至安西都护府的最南端阿富汗南部地区，成立波斯都督府收聚遗民，不久便被阿拉伯军队覆灭。阿拉伯军队带来了回教，月氏故地兴盛一时的佛教文明从此衰落，回教此后开始逐渐深深影响整个中亚地区，也波及到西域地区（新疆南部地区）。
长安二年(702年)，武则天新增设北庭大都护府，从安西大都护府管辖下划出蒙池都护府（汉代康居故地）、昆陵都护府（汉代乌孙故地）归北庭大都护府，还管辖轮台州等十三个都督府。这便是赫赫有名的大唐西域的安西都护府和北庭都护府，北庭都护府管理天山以北地区（新疆北部的准噶尔盆地）和西突厥故地，安西都护府管理天山以南地区（新疆南部的塔里木盆地）。
女皇帝的新增并不是心血来潮，北庭和安西二个都护府代表了西域二个泾渭分明的文明，天山以北的草原游牧文明，天山以南的城邦农耕文明。天山作为西域农牧二种文明的分界线，从二千年前的汉武帝时代，直到二千年后的今天依然没有太大的改变。天山北面的奶香和天山以南的蚕桑依旧，改变的只是天山南北纷纭混杂的人种，天山以南的城塞居民已经融合了许许多多西迁的族群，而天山以北的游牧民族则在二千年里来来去去，从未停下马蹄。
大唐时代已经和汉代的西域地缘形势发生了重大的改变，不仅仅是西域撮尔小国的消亡，更有强大的敌人环伺在西域三面。汉代的西域威胁来自北面，只是天山以北的匈奴威胁；天山西北的乌孙是大汉的盟友，而昆仑山以南的羌塞之族还不成气候，构不成大威胁。唐代的西域面对的威胁远比汉代险恶，天山以北是叛服无常的沙陀、铁勒诸部，天山西北的乌孙故地是新近收服的西突厥部族：突骑施、葛逻禄，而昆仑山以南强大的吐蕃帝国已经崛起，大唐的西域三面受敌。
大唐的西域英雄和大汉的西域英雄相比，少了孤胆英雄的传奇故事，多了柱国良将的骄人战绩；少了行刺国王、废立君主的杀伐决断，多了笼络羁縻、合纵连横的运筹帷幄。而且不同于西域的汉军在于稳固和同化三十六国，西域的唐军更将视野延展广袤的天际，大部分的战事都发生在塔里木盆地之外，跨越了葱岭和白山。整个汉代，西域都护和戊己校尉二部兵士约为三千人，多为步卒。而唐代的北庭都护和安西都护二部兵马超过四万人，富强的唐军士兵除了军马，还有私马从军；除此之外，还可征调数万铁勒、突骑施、葛逻禄等游牧民族的雇佣军。
大唐的西域更是一场浩浩荡荡数万大军厮杀的大规模战争，大唐的西域英雄也多是著名的将领：侯君集、阿史那社尔、契苾何力、郭孝恪、苏定方、程知节、薛仁贵、王孝杰、郭元振、裴行俭、王方翼、程务挺、夫蒙灵察、盖嘉运、高仙芝、封常清、李嗣业、段秀实。
其中出身高句丽的大将高仙芝以小勃律之战和怛逻斯之战在历史上留下了浓重的色彩。穿越葱岭的小勃律之战，因其行军极为艰险，被后世的英国探险家斯坦因赞叹道：“数目不少的军队，行经帕米尔和兴都库什，在历史上以此为第一次，高山插天，又缺乏给养，不知道当时如何维持军队的供应？即令现代的参谋本部，亦将束手无策。”
天宝十年（751年）爆发的怛逻斯之战，因为是当时世界上的两大帝国阿拉伯帝国和大唐帝国的激烈碰撞，引发了史学家无尽的兴趣。这次战役以唐军大败告终，但却是由于唐军的盟友葛逻禄雇佣军临阵倒戈，所以高仙芝并未损及良将之名，战后也未被皇帝惩处，反而征调到长安做大将。很多评论认为，怛逻斯之战使得西域的唐军元气大伤，从此都未能再回到中亚。但是，高仙芝离任不久，继任的大将封常清仍然在怛逻斯之战两年后的天宝十二年（753年）大破受吐蕃控制的大勃律，说明当时西域唐军的实力未受重大损害。