輪台的屯田雖然受阻，但羅布泊地區的屯田卻很順利。漢昭帝雖然隻派了司馬一人率吏士四十人，卻起到了穩定伊循的作用。據《水經注》記載，原駐敦煌的索勵就率千餘名士卒到鄯善國的伊循城屯田，因為這裏具有擴大屯田的物質基礎，所以他又從鄯善、焉耆、龜茲等地調集三千多名士兵，在塔裏木河尾閭挖溝通渠，並進行了規模巨大的橫斷注濱河的工程，“河斷之日，水奮勢激，波陵冒堤。大戰三日，水乃回減，灌浸沃衍，故胡人稱神，大田三年，積粟百萬”。注濱是古代若羌河和米蘭河的交彙處，數千人的大軍共修水利，引水灌溉，其聲勢之浩大，是前所未有的。他們使用內地先進水利技術和工具，在伊循建設了完整的灌溉渠係主渠和七條大型支渠，總長三十七公裏，還有鬥渠、農渠、毛渠，交織縱橫，密布於灌區之間。這是羅布泊地區大規模、高水平的一項劃時代水利灌溉工程。僅伊循一地，受益此水就造田近兩萬畝。
到漢宣帝時，輪台、渠犁屯田又有恢複，田卒達1500人之多，城堡之旁，田疇阡陌，畦壟毗連，直達河岸。灌區渠係整齊完善，分布均勻，渠道長達一百多公裏。
公元前60年漢統一西域，將西域都護府設在烏壘，就是為了依仗塔裏木河中遊屯田中心輪台和渠犁。這以後，又在塔裏木河下遊羅布泊地區建立居盧倉，通渠轉穀，屯田積糧，這無論在軍事上和絲綢之路的交通上，都具有重大意義。
東漢時西域出現“三通”、“三絕”局麵，使蓬勃興起的農田水利建設又一次受阻。但由於班超力挽狂瀾，取得了塔裏木河流域的軍事上的勝利，開渠屯田又通。當時班超已能統領康居、莎車、疏勒、於闐、抒彌等國，並已攻克姑墨，他見到莎車、疏勒一帶“田地肥廣，草牧饒衍”，比敦煌、鄯善還富庶，就上疏漢朝力主經營西域。他預見到在這一帶屯田積穀，是西域圖強進取的基地，因此大力推進農田水利的發展。甚至將管理屯田積穀的“司禾府”建在了位於鄯善國西境的精絕。漢朝政府賞識班超的雄才大略，於是任命他為西域都護，駐守龜茲。又任命徐幹為西域長史，駐守疏勒。塔裏木河流域的經營開發，掀開了曆史的新篇章。隨著屯田種植、水利工程的興起，中原農耕文化全方位地進入西域諸國，中華文明之風熏染著塔裏木河流域的每一個城郭、每一片綠洲。
這時的塔裏木河流域，“皆種五穀”，以種植麥（大麥、小麥）、黍（黃米）、稻、稷（穀子）、菽（豆類）為主，還種植棉花，農業經濟類型與中原基本相同。果類蔬菜如桃、杏、梨、瓜、葡萄、核桃、石榴以及青蔓、葫蘆、蕃茄、韭菜、蔥蒜等，種植非常普遍。除了農業和園藝業，由於沿河水草豐盛，所以畜牧業也很發達。這～方麵是屯田活動的收獲，同時又為大規模屯田提供了有利的條件。與此同時，西域的冶鐵業、手工藝加工、紡織印染業隨之發展起來，中原先進技術在西域諸國普遍應用，內地漢族人的禮儀風尚、生活習俗，也在塔裏木河流域浸潤和盛行。
東漢滅亡後，數百年烽煙不斷，魏、蜀、吳三足鼎立，群雄逐鹿中原。公元220年，統一了北方的曹魏政權在海頭（今羅布泊附近）設西域長史，在高昌（今吐魯番）設戊己校尉。同時設西域校尉、宜禾都尉協同工作，承襲了漢在西域的統治。魏晉時期羅布泊地區的屯田仍有繼續，業管理和水利灌溉更加有序。為了防止塔裏木河泛濫，屯田區築了‘堤壩，一次築堤人數就達五百人，而且還在“增兵”，可見工程已有相當的規模。
晉代時還在塔裏木河流域的龜茲，羅布泊附近的鄯善、樓蘭、精絕等地推行一種新式牛耕技術，可能是二牛架雙軛犁，馭手扶犁驅牛耕作，即所謂“二牛抬杠”耕作法。使用的犁是頭上寬大呈三角形的鐵鏵，這種鐵犁形狀和牛耕方式，與中原非常類似。當地民族還使用寬刃鋤即新疆流行的“坎土镘”，可耕田也可興修水利，是一種適應當地需要的先進生產工具，在農田水利建設中發揮很大作用。
然而西晉時期（公元四世紀初葉），羅布泊地區發生了一起災難性變化。塔裏木河突然改道，轉向南流，河水注入台特馬湖，中斷了羅布泊的水流。樓蘭很快出現水草枯萎、社會衰落的景象。進而絲綢之路在樓蘭的通道絕跡，隨之樓蘭在西晉政權覆滅之際，也神秘地從曆史舞台的前沿消失了。
到了北朝時期，塔裏木河流域的農田水利建設又有發展。據《宋雲行記》載，且末城居民因“土地無雨，決水種麥”，決水種麥就是開渠灌溉，可能引用的是車爾臣河的水。還記載葉城一帶“人民山居，五穀甚豐，食則麵麥”，這是因為葉爾羌河水係，為人們提供了良好的水利灌溉條件。《水經注·河水傳》記載了塔裏木河流域的河流水係，還記載了水利灌溉情況，如說敦甍之水（今開都河）“其水又西出沙山鐵關穀，又西南流經連城別注，裂以為田”。庫爾勒一帶分水開渠，引河灌溉，與輪台、渠犁屯田連成一片，進一步發展了塔裏木河流域的農田水利事業。