9世紀之後的中原王朝無暇顧及西域，西域出現了幾個國家並列存在的局麵。其中主要有高昌、黑汗王朝和於闐等地方政權。840年漠北回鶻汗國覆滅高
昌與喀喇汗王朝後，由西遷西域的回鶻人彙同其他操突厥語諸族建立地方政權。於闐是古老的塞人居地。唐亡後，於闐尉遲王族執政，與中原地區往來密切，因曾受過唐朝冊封而自稱李姓。
黑汗王朝在10世紀和11世紀控製今日的新疆西部，同一時期回鶻的一支在新疆中部定居。遼國覆滅前夜，宗室耶律大石率部西遷，在占據西州回鶻和黑汗國舊地後，向西擴展到阿姆河流域，大石於1132年（一說1131年）稱帝，建立西遼政權。疆域包括天山南北，帕米爾高原以西至鹹海以南的阿姆河西岸，巴爾喀什湖東北至蒙古西部。
元明時期
1206年，蒙古帝國建立，1271年改國號為元朝。蒙元時期西域大部分地區為成吉思汗次子察合台的封地即察合台汗國。另外元朝在今伊犁河流域曾設置阿裏麻裏（阿力麻裏）行省，但不久就並入察合台汗國。又在阿姆河
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新疆
南岸曾設立行省，後並入伊利汗國。今烏魯木齊一帶曾設置別失八裏行省，後一度被察合台汗國占據，後期重新成為元朝的轄地。
明代在西域處於退縮狀態，在今克什米爾東北和藏西設置俄力思軍民元帥府；1406年，又設立哈密衛，任用當地世族首領為各級官吏統轄當地軍政事宜，維持商貿通道安全，對西域地區實施羈縻控製。洪武三年（1370年）察合台汗國滅亡後其後裔建別失八裏，都城在別失八裏（今吉木薩爾北破城子），永樂十六年（1418年）遷都亦力把裏（今伊寧）。15世紀中葉，吐魯番部強大，1472年，哈密等衛所一度被吐魯番攻破，諸衛內遷，後複，1514年再度被並，明朝最後退守嘉峪關。明朝中葉，東察合台汗國演變為葉爾羌汗國。
清朝時期
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新疆
17世紀，準噶爾（蒙古的一支）叛亂，並攻打外蒙古。1697年，清軍擊敗了準噶爾，控製了新疆東部。雍正皇帝時，貴州東南部新辟疆土亦稱新疆。當時，西域新疆和雲南、四川、貴州等地新納入清王朝統治之下的地域，統稱“新疆六廳”。《清史稿》載：“十二年，哈元生進新辟苗疆圖誌，以尹繼善督雲、貴，而複有黔苗之變。初，苗疆辟地二三千裏，幾當貴州全省之半，增營設汛，凡腹內郡縣防兵大半移戍新疆。”1755年，清朝攻占固勒紮；1757年，清朝徹底平定了準噶爾叛亂。乾隆皇帝把這片土地命名為“新疆”，取因“故土新歸”之意。1759年，清朝又平定天山以南因準噶爾部消失而趁機坐大的回部，即***教白山派首領大小和卓反叛，從此完全確立了清朝對新疆的穩固統治，回部之前在準噶爾暴力統治之下。而準噶爾部被滅族也直接導致新疆及中亞部分完全***化。1771年，土爾