隋朝末年，西突厥射匮可汗在位时（611- 618年），征服了准噶尔盆地的薛延陀族，拓地东北至阿尔泰山，东南至玉门，西北至里海，西南至兴都库什山，618年更北并铁勒余部，西南逾阿姆河，占领吐火罗斯坦（今阿富汗北部），建牙庭于龟兹以北三弥山裕尔都斯谷，又在千泉建夏都。为唐初西北一大劲敌。
630年（贞观四年）唐灭东突厥，对西域震动很大。就在这一年，西域胡人所居伊吾七城（即隋伊吾郡地）降唐，唐朝于其地置西伊州（治哈密），632年改名伊州。这是唐朝进入西域的第一步。
640年（贞观十四年）平高昌（今新疆吐鲁番东南），于其地置西州和安西都护府。同时又取可图浮汗城（今吉木萨尔北古城子），置庭州。644年取焉耆（今新疆焉耆西南），648年取龟兹（今库车），西突厥裕尔都斯谷之汗庭归唐所有。次年移西域都护府于龟兹，并置龟兹、于阗（今和田）、疏勒（今喀什市）、碎叶（今吉尔吉斯北部托克马克附近）四镇。
659年（显庆四年）唐又平西突厥，至此西突厥及其属国全境入唐版图。
至此，唐朝在东起阿尔泰山、西至咸海的西突厥本部设置了几十个羁縻都督府州，由昆陵、濛池二都护府统辖。这二都护府和河中地区（今乌兹别克撒马尔罕一带）及天山南路城邦诸国都属安西都护府管辖。661年（龙朔元年）又在阿姆河以南西域十六国置羁糜都督府州，势力最远伸至波斯。这是唐朝西北疆域最盛时期。
702年（长安二年）分安西都护府置北庭都护府，治庭州，分辖天山以北昆陵、濛池二都护府所领突厥诸部；安西都护府只辖天山南路及葱岭东西城邦诸国。在665年（唐麟德二年）时由于大食势力的扩展，唐朝势力退出葱岭以西。
715年（开元三年）唐朝击退了吐蕃、大食的进攻，势力一度又扩至葱岭以西。751年（天宝十年）唐朝与大食怛罗斯（今哈萨克江布尔城）一役战败后，唐朝势力退至葱岭以东，在葱岭以西影响大为削弱。
