蒙元时期，随着蒙古军的西征，蒙古族和一些来自中原的汉族人民迁入西北。刘郁《西使记》载，13世纪中叶，今新疆乌伦古河西北“多汉民，有二麦黍谷”，今霍城县西的阿里麻里城汉人尤多，“回纥与汉民杂居”，城北有铁木尔忏察关，“守关者皆汉民，”城南赤木儿城，“居民多并、汾州人”。
当时西域各城如别失八里（今新疆吉木萨尔县北）、哈喇火州（今吐鲁番市东南）、撒马尔干（今撒马尔罕）、塔拉恩城（今江布尔城）都有汉人充当工匠、伎乐和民。此外蒙元在征伐金宋时，曾将俘掠来的汉人安置于今陕、甘、宁一带，或为家奴，或为屯农。平南宋后，大批编入新附军队的南宋军人又被迁往陕甘宁边区屯田。其总数尚不可知，据文献所载，估计军人连同家属约有6-7万人。
明代强盛时期的疆域到达河西走廊的西端，为防御来自蒙古高原和西域的周边民族力量的东侵，明在河陇设立了大量的卫所。其中，设于今宁夏境内的5个卫所，在明中期约有军士2.3万人，与家属合计约近7万人。在甘肃境内的卫所估计约有军人3.5万人，连家属共10万人左右。这些人，大部分都来自新迁入的移民。
明末清初，游牧在天山北路的蒙古准噶尔部强盛，控制了西北和蒙古高原的大部分地区。1690年（康熙二十九年），清军对准噶尔部的进攻展开反击，至1759年（乾隆二十四年）清军平定西北。为保证在西北作战的军需供应，清政府招徕甘肃的无业贫民，在河西走廊西部进行屯田。
由于战后天山北麓已无多少人口，自乾隆年间开始在此军屯，允许屯丁家口迁入，又招募外省移民来新疆屯垦，成千上万的移民从甘肃、陕西、四川等省奔赴天山北麓。清朝罪犯原来都流放东北，自乾隆年间开始将一部分人流放乌鲁木齐等地。到1777年（乾隆四十二年），新疆共有汉族移民35万人左右，汉人占了全疆人口的一半。
但是，从同治三年(1864年)开始，新疆为阿古柏势力及沙俄占领达10余年，人亡地荒，此后清军出兵收复新疆的战争又导致新的人口损失，清前期移民垦田的成果大部丧失。1878年（光绪四年）清朝收复新疆以后，积极兴办军屯民垦。民国年间新疆省政府坚持鼓励移民垦殖，但内地人民流入不多。直到1935年自西安到新疆的公路修成，移民人数才有所增加。
清前期进入宁夏、甘肃的移民人口较多，至1820年（嘉庆二十五年），今甘肃省境有800万人口，宁夏有220万。回族是境内的主要民族之一，主要居住在甘肃东部和宁夏以及陕西。1862年（同治元年），西北回族与当地汉民大规模械斗，进而演变成大规模的回民起义，后被左宗棠率领的清军残酷镇压下去，此后当地人口数量剧减。
乱后，政府重新安置参与起义的回民，导致回民居地的大变动，许多回民被迫迁到宁夏南部和甘肃东部条件较差的干旱山区。由于境内地广人稀，清末民国时期甘肃和宁夏的地方政府都组织移民垦荒。
1949年宁夏仍只有120万人，尚不及乱前水平；甘肃人口稍超过乱前，但也只有968万人。
