大都護府以下，分軍事、行政兩大係統。在軍事係統，安西大都護統領龜茲、於闐、疏勒、焉耆及碎葉5個重鎮，各鎮設鎮守使，鎮守使多由副大都護兼任。這5個軍鎮成為唐朝有效經營管理西域的重要軍事基地。在天寶以前，西域地區一般的軍事建置為“大曰軍，小曰守捉、曰城、曰鎮，而總之者曰道”。軍的長官是經略使，多由刺史兼任，大軍兵額多達萬人，當時設有伊吾軍駐伊州，天山軍駐西州，保大軍駐碎葉，靜塞軍駐輪台，澈海軍駐庭州，清海軍駐白楊河西。軍下為守捉，設守捉使，據《新唐書？兵誌》載，與西域相關的守捉河西道有烏城等守捉十四，北庭道有沙缽等守捉十，安西道有蘭城等守捉八。守捉之下為城，城下為鎮，鎮設鎮將、副鎮、錄事各一人，倉曹、兵曹參軍二人，鎮下有烽，烽下有戍，烽與戍設帥。如庭州除了瀚海軍和沙缽城等10守捉外，還有清鎮軍、弓月、蟄失蜜、碎葉4城，神仙、蒲類、郝遮、鹹泉4鎮和特羅堡；西州有石會漢戍等。道一為戰時設置，一為區域性統領，長官為總管，前者如左屯衛將軍蘇定方曾任伊麗道行軍總管，程知節為蔥山道行軍總管；後者如前述所引，在天山北路有北庭道，天山南路有安西道，天山東路屬河西道。駐守各處的軍隊每年換防，故“烽戍邏卒，萬裏相繼”。他們戰時作戰，平時戍衛邊防，同時還要“屯田以資糗糧，牧使以挽牛羊”。上述設置，形成了一個非常完備的軍事管理體係。
唐玄宗開元二十九年（741)，對西域的軍事設置又進行了調整，設安西四鎮節度使和北庭伊西節度使。安西節度使統轄龜茲、於闐、疏勒、焉耆四鎮，治龜茲，有兵員2.4萬人。北庭節度使“防製突騎施、堅昆、斬啜，管瀚海、天山、伊吾三軍”，治庭州，有兵員2萬人。節度使多由大都護兼任，節度使府有節度使一人，副使、行軍司馬各一人，刺官二人，長書記一人，參軍若幹，隨軍四人。節度使的設立，進一步加強了西域地區的軍事管理。
在安西、北庭兩個大都護府屬下的羈縻都督府、州，各有自己的軍隊，兵員不限，其職責是平時鎮守封疆，維護正常社會秩序，如有戰事，則由都護憑中央所頒“天子信寶”即兵符調遣參戰。此外，在西域天山南路還有媯塞、渠黎兩個都督府，軍事上也由安西都護府管轄。
2.唐在西域的行政建置
大都護府下的行政係統有兩種管理方式，其一是西域東部實行與內地相同的州縣製，其二是在西突厥故地和其他民族地區實行羈縻府、州製。前一種實行的地區主要是西域東部的四州，即伊州、西州、庭州和沙洲。伊州治伊吾，即今哈密，轄伊吾、納職、柔遠3縣；西州治高昌，即今吐魯番，轄柳中、交河、蒲昌、天山4縣；庭州治金滿，即今吉木薩爾縣北，轄金滿、輪台、後庭、西海4縣；沙洲治敦煌，轄敦煌、壽昌2縣，二縣偏居本州東緣，倶在陽關、玉門關以東，在傳統西域以外的河西地區，但該州大部地域卻在西域範圍，轄有七屯城、弩支城、石城鎮、播仙鎮（且末）4城。這些設州置縣的區域，州縣以下有鄉、裏、保等基層組織。並實行均田製、租庸調製和府兵製，在交通要衝設驛站、驛館，其在政治、經濟、軍事、文化製度、政策上，與內地完全一致，茲不贅述。
後一種行政係統是羈縻府州製，這是唐王朝在民族地區實行羈縻政策而普遍推行的一種行政管理體係。所謂羈縻政策，就是在民族地區保留其原來民族首領的政治地位，按部落大小或地區廣狹，設置羈縻府、州、縣，任命該民族大小首領擔任都護或都督、刺史、縣令等官職，並且職位終身製和世襲製。他們作為朝廷命官，享受國家俸祿，承擔政府使命，管理所轄各府、州、縣事務。史稱“雖貢賦版籍，多不上戶部，聲教所暨，皆邊州都護、都督所領，著於令式”者，即是對羈縻府、州而言。可知對於羈縻府州，唐朝並不征收賦稅，西域諸府州隻是需向安西、北庭兩大都護府繳納一定的財物，以供兩府軍政開支。
不難看出，唐朝在西域地區實行的州縣與羈縻製度並存，軍政合一、鎮撫結合、番漢兼治、重視緣邊防衛等舉措，形成了行之有效且體係完備的邊疆管理模式和交通驛傳運行體係。這不僅對協調唐與西北各族的關係、維護大一統強大王朝的穩定與繁榮發揮了重要作用，而且也為唐實施對外開放，加強與西亞、歐洲的商貿往來和文化交流，開創了前所未有的良好條件。