近代新疆各地考古资料表明，最晚在六七千年以前,新疆地区已有人类活动。在大约距今二三千年以前的新石器时代，天山南北各地，诸如哈密的三道岭、七角井、吐鲁番盆地的阿斯塔那、乌鲁木齐县的柴窝堡，以及木垒、奇台、伊犁、库车、巴楚、且末、于阗、皮山等地都已出现人类祖先活动的遗迹，其石器形制、打刻技术以及共存的陶器色彩、花纹与我国甘肃、内蒙、宁夏等地相近。
  原始社会时期。成书于战国时期的《山海经》和《穆天子传》中，有关周穆王西巡昆仑会见西王母的故事。新疆境内考古发掘出土的大量陶器,其中不少彩陶的图案纹饰与中原内地同期出土的陶 器图案纹饰相同或相近似。距今3000年前，新疆出土的彩陶三角形纹、涡纹、弦纹的绘制和诸如陶豆一类器形，说明甘肃和内地彩陶艺术已影响到新疆彩陶文化艺术的发展。
  
两汉时期
我国古史中对于西域地理历史的真实具体记载当始自汉代，同样也在汉代，中央政府在西域各地开始设置地方政府机构。所 西汉疆域图:自汉朝起，新疆就是中国领土
西汉疆域图:自汉朝起，新疆就是中国领土(5张)以，自汉代以后，西域便已是我国不可分割的组成部分。
  至西汉初年，天山南北各地社会经济已有很大发展。
西汉王朝征服西域大业是从讨伐匈奴开始的。匈奴是秦汉之际在我国北方草原地区活动的一个实力强盛的游牧民族，初弱，后强盛。汉朝对北方地区，包括西域的统一管辖，结束了该地区长期以来诸游牧部落不相统属的分割局面，为后来全国性的统一局面形成创造了条件。
  
汉武帝刘彻为了打败匈奴，巩固其统治，决新疆  新疆
定“通西域，以断匈奴右臂，隔绝南羌，月氏”。为此他先派张骞两度出使西域，以加强同西域诸地的联系，共同对付匈奴。张骞西使加深了中国对西域的了解，密切了两地之间政治、经济联系，扩大了汉朝在西域诸地的政治影响，为汉朝征服西域创造了条件。
  汉武帝又命李广利于太初元年（前104年）、三年两伐大宛（在今中亚费尔干纳盆地），使西域的许多城国相继臣服于汉。前102年，汉军攻破大宛城（今费尔干纳），汉朝在西域各国中的威望大增。翌年，汉朝在西域的轮台、渠犁等地驻兵屯田，并置使者校尉统领之。
  因匈奴内争，其主管西域的日逐王先贤掸率万余众降汉，汉使护鄯善以西使者郑吉迎之，匈奴在西域的统治力量随之瓦解。于是汉廷使护鄯善以西南道诸地的郑吉“并护（车鸣沙山  鸣沙山
师以西）北道，故号曰都护”。西域都护是西汉政府在西域设置的最高军政机构，治乌垒城（今新疆轮台东北），“镇抚诸国，诛伐怀集之”，并“督察乌孙（在今新疆伊犁河流域）、康居（在今哈萨克斯坦境内巴尔喀什湖与咸海之间）诸外国动静，有变以闻，可安辑安辑之，可击击之”。
  
西汉时期，随着东西方经济文化的交流传播，极大地带动促进了西域社会经济的进一步发展。西域的农作物胡麻、蚕豆、石榴、大蒜、葡萄、苜蓿等相继传入内地，被誉作“天马”的大宛马、乌孙马、各种毛皮也通过“丝绸之路”源源不断地进入到中原地区。同时，中原地区的丝绸和丝织品也传入西域并经此西传欧洲。
  此外，伴随着屯田士兵而传入西域的还有先进的生产工具和农业经验，如铁铧、铁锄等铁制农具及代田法，还有掘井技术和冶铁技术等。
西域的手工业，如陶器制造，毛纺织品，玉石制造业技术工艺俱有相当高的水平。汉代新疆广泛流行汉朝的五铢钱，和田马钱以及安息银币等说明了该地区蓬勃发展的商业水平。
  
魏晋南北朝时期
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魏黄初三年（222年），魏继承汉制领护西域，在伊吾（哈密）置宜禾都尉，在高昌（吐鲁番）设“戊己校尉”， 在车师后部赐其王守（署理）侍中官职，号大都尉，后又置西域长史管理西域各民族。
265年，司马炎代曹魏建立西晋，在西域设立了戊己校尉和西域长史等管理机构。
  
东晋咸和二年（327年），割据河西的前凉张骏攻取伊吾，划属敦煌郡，以参军索孚为伊吾都尉。咸和四年设立高昌郡，隶属沙洲（今敦煌），此为高昌按内地行政设官之始。永和元年（345年）征服焉耆，张骏还派军队伐龟兹、鄯善、于阗，中央集权在西域地区进一步巩固。
  
东晋隆安四年（400年），河西李皓占据敦煌。西凉建立不久，驻军玉门、阳关以西诸城，控制西域。太平真君三年（442年），北魏灭北凉，西域诸国降附北魏，高昌王麴嘉及其子孙多次受北魏册封。太延元年至末年（435—439年），西域各国遣使向中原朝贡，使臣连年不断。
  随着北魏势力进一步扩大，太和十二年（488年），北魏置伊吾郡。
永熙三年（534年），北魏分裂为东、西魏，后被北齐、北周取代。中央王朝不再控制西域。
南北朝末期，西域出现了社会大动荡和民族大融合的局面。5世纪末，吐谷浑和柔然开始分别侵入新疆南部和北部，中原政权（北朝）逐渐丧失对此地的控制。
  从6世纪开始，突厥在阿尔泰山地区崛起，数年间击败柔然，建立了西至咸海、东抵大兴安岭、横亘中亚的突厥汗国。583年突厥分裂为东西二部，新疆属西突厥。