617年唐朝建立後，為了開通商貿通道，開始了對於西域的經略。西域的民族關係由此進入了一個新的時期。這一時期，突厥語族諸部落（突厥、葛邏祿、
樣磨、鐵勒、黠戛斯、回鶻）相繼挺進天山南北各地。與此同時，漢人、粟特以及吐蕃（今藏族祖先）等民族也或長期或短時間地扮演重要角色，再度改變了西域各地原來的民族分布格局。
突厥是活動在我國北方草原的一個古代遊牧民族，最初遊牧於今葉尼塞河上遊地區，後遷徙至高昌北山即今天山中段博格達山一帶。高昌地區此時尚為柔然人所控製，不久突厥也歸屬柔然治下，並被遷往金山（今阿爾泰山）地區，成為柔然人的“鍛奴”。據史書記載，因“金山”形似“兜鍪”，突厥遂以為名稱。之後，突厥人在酋長阿史那土門率領下，收服了鐵勒部，實力劇增。552年，土門打敗了柔然，以漠北地區的於都斤山（今蒙古國境內杭愛山）為牙帳，建立起了強大的奴隸製的突厥汗國。同年，土門派遣其弟室點密率10萬大軍西征，西域各地及以西的中亞部分地區俱歸其所屬。582年，突厥汗國因內訌而分裂為東、西兩部分。西域處在西突厥控製之下。657年，西突厥歸屬唐朝，原散居北方和中原地區的東突厥，逐漸融合同化於當地其他民族之中；西突厥中相當一部分則融化到西域和中亞諸族中，並成為該地區近代一些民族的重要來源之一。
突厥汗國滅亡後，原來屬於突厥汗國統治的一些部落或部落集團脫離了羈絆，走上了自我發展的道路。例如，唐朝統治西域時期以及之後一段時間，在西域各地聚居活動過的樣磨、葛邏祿、回鶻等族群原來都曾歸突厥汗國所屬。葛邏祿後來彙同回鶻人建立了喀喇汗王朝；黠戛斯則經過發展，成為後來元朝古利吉斯人的祖先。
唐朝時期在天山南北各地活動聚居的還有漢人和吐蕃人等。唐代的漢人主要集中聚居在伊州、庭州和西州，即今哈密、吐魯番、烏魯木齊、昌吉地區。唐朝在此采用內地的州縣製，由中央政府派遣官員進行治理，當時這一帶地區所實行的土地製度、賦稅製度和勞役製度，都與中原地區相同。還有龜茲等地，漢人屯田當時已遍及天山南北許多地方。
“安史之亂”後，唐朝鎮守西域各地兵力空虛，勢力衰退，吐蕃人乘機北上，攻占了河西、隴右以及西域部分地區，並維持對這一帶的統治長達半個世紀之久。
公元840年，建立在漠北的回鶻汗國被黠戛斯人所滅，回鶻人餘部分若幹支向西遷入天山南北諸地，其中進入庫車、吐魯番地區的回鶻王族成員龐特勤建立了高昌回鶻政權，該政權一直維持到13世紀初蒙古統治西域時期，王族東遷甘肅永昌地區。期間，曾在吐魯番地區聚居生活的漢人及其他土著民族等先後融入回鶻中；而遷入天山南部以及中亞地區的回鶻人則聯合葛邏祿、樣磨等部，於9世紀中葉建立了喀喇汗王朝。建都於巴拉沙袞，建副部恒邏斯城，當時的喀什噶爾一帶也歸其所屬。由於與中亞薩曼王朝的戰爭失利，首府遷至喀什噶爾城。10世紀初，汗王奧古爾恰克的侄子薩圖克最先信仰了伊斯蘭教，後奪取政權，自稱博格拉汗。在此之前，回鶻人曾信仰過摩尼教和佛教，對西域佛教文化的廣泛傳播作出了貢獻。
79.宋遼金元明時期新疆的民族狀況如何？
唐、五代以後，除回鶻人外，先後又有契丹、蒙古等民族相繼進入西域，特別是13世紀初蒙古西征以及對天山南北各地的統治，推動了天山南北政治經濟結構的統一以及民族文化和心理素質的趨同性，對於新疆近代民族之形成和發展的曆史進程產生了重大影響。
宋、遼、金時期，西域各地除了由回鶻人與葛邏祿、樣磨人建立的喀喇汗王朝、高昌回鶻王國等地方政權外，還有尉遲家族於公元10世紀初建立的大寶於闐國，以及由契丹人所建立的西遼政權。“大寶於闐國”又稱“於闐李氏王朝”，在吐蕃勢力撤出西域後，由於闐地區著名的尉遲王族所建立。該政權建立不久，其王李聖天便遣使臣向主政當時中原地區的“後晉”朝貢。938年，後晉派遣使臣至其地封李聖天為“大寶於闐國王”。當時控製的範圍西抵疏勒，東至且末，北接大漠，南達昆侖。該地朝野上下篤信佛教，文化昌盛，至今敦煌莫高窟千佛洞壁畫中還留有於闐國王當時拜信佛主內容的畫麵。11世紀初，尉遲家族統治的佛教王國為信仰伊斯蘭教的喀喇汗王朝攻破兼並。