东汉建立后，汉光武帝刘秀忙于平定内陆割据势力，统一后又因战乱初定，亟需休养生息，无力顾及西域。匈奴（此时已分裂为南、北匈奴，与西域接触的为北匈奴）趁机重新控制西域，但北匈奴实力远不如西汉时期，对西域的控制较为松散——这为西域局部势力的崛起提供了空间。
西域城邦莎车（今新疆喀什地区莎车县）的国王“贤”，趁机称霸，四处攻打兼并鄯善、龟兹、于阗等国。西域诸国不堪其扰，纷纷遣使东汉，请求朝廷派都护、驻军保护，但汉光武帝以“国力未盛”为由拒绝。莎车王贤见状更加肆无忌惮，诸国或被迫臣服，或归附北匈奴。直至公元61年，于阗联合诸国击败莎车，杀贤，西域才暂时摆脱莎车霸权，但随即陷入诸国互相攻伐的混乱。
公元65年起，北匈奴频繁入侵东汉北部边疆，而此时东汉国力已逐步恢复。公元72年，北匈奴攻打河西郡县，次年汉明帝派军反击，收复西域门户伊吾（今新疆哈密市），设“宜禾校尉”屯田。于阗等国闻讯，立即派子弟入洛阳为质，西域与中原的联系首次恢复——这是东汉经营西域的“第一通”。
公元74年，东汉军队进入车师，重设西域都护府与戊己校尉，以陈睦为都护，耿恭、关宠为戊己校尉。但好景不长，公元75年汉明帝去世，北匈奴唆使焉耆、龟兹袭击西域都护府，杀陈睦，又联合车师围困戊己校尉。新即位的汉章帝被迫下令撤回驻军，撤销都护府，西域与中原联系再次中断——即“第一绝”。
关键时刻，东汉使者班超选择留在西域。他凭借智慧与勇气，联合疏勒、于阗等国，对抗北匈奴与反叛城邦，逐步稳定了西域南部局势。汉章帝虽未重启都护府，但也不时派少量军队支援班超。汉和帝即位后，东汉重启西域经营：公元89年，大将军窦宪大败北匈奴，“勒石燕然”；公元90年，东汉收复伊吾，西域与中原联系第二次恢复——“第二通”。
公元91年，龟兹、姑墨、温宿等国归附，班超被任命为西域都护；公元94年，班超率军平定焉耆、危须、尉犁三国，西域五十余国全部归附，东汉再次统一西域。公元102年，班超返回内陆，任尚接任西域都护。但任尚治理严苛，激起诸国反抗，加之河西羌人因不堪压迫起兵，切断河西走廊，公元107年，汉安帝下令撤销都护府，撤回驻军——“第二绝”。
公元123年，汉安帝任命班超之子班勇为“西域长史”，率军重返西域。班勇沿用父亲的策略，逐步平定反叛势力，公元127年，西域再次统一，与中原联系第三次恢复——“第三通”。此后，东汉在西域的最高军政长官改称“西域长史”，办公机构为“西域长史府”，乌孙、大宛不再纳入管辖范围，但西域核心区域的统治得以延续。
东汉末年，内陆陷入军阀混战，西域与中原的联系再次中断，西域历史进入了政权更迭频繁的“分裂时期”。
三国时期，内陆形成曹魏、蜀汉、东吴三足鼎立之势，仅有曹魏与西域接壤。此时的西域，经长期分裂兼并，仅剩约30国，分属焉耆、鄯善、于阗、疏勒、龟兹五大势力。曹魏虽在海头城（今新疆巴州若羌县罗布泊西）设西域长史，在高昌壁（今新疆吐鲁番市高昌故城）设西域校尉，试图管理西域，但因忙于与蜀、吴交战，实际仅能影响塔里木盆地东端的少数城邦，偏远诸国或关系疏远，或无往来。
西晋统一内陆后，对西域的管辖力度略有提升，但统一局面仅维持十余年便因“八王之乱”陷入内乱，西域事务再次被搁置。从东汉末年至西晋，内陆长期分裂，北方游牧民族（如鲜卑）亦未形成统一政权，西域诸国保持了较强的独立性，这一局面持续至“五胡十六国”时期。
十六国时期，与西域接壤的前凉政权（定都姑臧，今甘肃武威）成为经营西域的核心力量。前凉不仅将势力扩展至西域大部分区域，更在高昌（今新疆吐鲁番市）设立“高昌郡”——这是内陆的郡县制首次推广至西域，打破了此前“因俗而治”的单一模式，为后续中原政权治理西域提供了新路径。公元376年，前秦灭前凉，君主苻坚派吕光远征西域，诸国纷纷臣服；公元386年，吕光割据凉州，建立后凉，西域诸国转而归附后凉。
公元397年，沮渠蒙逊反叛后凉，建立北凉；公元400年，敦煌太守李暠叛北凉，建立西凉。西凉与西域诸国关系友好，但受北凉军事威胁，无力扩展势力；公元421年，北凉灭西凉，进一步巩固了在西域的影响力。公元439年，北魏灭北凉，统一北方，试图经营西域，但此时蒙古高原的柔然崛起，控制了西域北部，与北魏争夺西域东部的伊吾、焉耆、鄯善等地。最终，北魏仅能控制伊吾，西域大部分区域仍由柔然掌控。
公元5世纪末，柔然属部高车西迁反叛，柔然势力衰弱，但高车未能完全取代柔然——来自帕米尔高原以西的厌哒（又称“白匈奴”）、青海的吐谷浑，纷纷将势力伸入西域，形成“柔然、高车、厌哒、吐谷浑”四方角逐的局面。直至公元6世纪中叶，来自阿尔泰山的突厥部落崛起，才结束了这一混乱。
突厥原臣服于柔然，公元6世纪40年代逐步独立，公元552年灭柔然，建立突厥汗国。至公元6世纪60年代，突厥汗国已扩张为东抵辽河、西至里海、南达塔克拉玛干沙漠、北抵贝加尔湖的庞大政权，西域大部分区域纳入其版图（东南部仍由吐谷浑控制）。公元583年，突厥汗国分裂为东、西突厥，以阿尔泰山为界，西域归西突厥管辖。
西突厥对西域的统治以“松散间接”为特点：保留诸国原有政权组织、经济生活与风俗，仅要求称臣纳贡；授予诸国首领突厥官职头衔，派使者监管贡赋征收，极少干涉内政；对关键城邦，则派突厥贵族担任首领，实行直接统治。此外，西突厥还通过联姻巩固关系，高昌、焉耆、龟兹等国均与突厥通婚。这种统治模式，既适应了西域多元的地理与民族环境，也为后续中原政权治理西域提供了参考。
公元589年，隋朝统一内陆，开始尝试经营西域。隋炀帝时期，西域丝绸之路发展为“北、中、南”三道：北道经伊吾（今新疆哈密），中道经高昌（今新疆吐鲁番），南道经鄯善（今新疆若羌）。公元609年，隋朝击败吐谷浑，在西域东南部设鄯善郡、且末郡（今新疆且末县）；公元610年，在伊吾设伊吾郡，控制了西域东部交通要道。但不久后，隋炀帝三征高句丽，导致民怨沸腾，天下大乱，隋朝在西域的统治也土崩瓦解，西域重新被西突厥控制。
但是，隋帝国的统治并非一无是处，它孕育了中华文明的又一个高峰期。隋朝末年，李渊父子起兵太原，凭借关陇集团的支持，迅速平定割据势力，建立唐朝。公元630年，唐朝彻底消灭东突厥，解除了北方边境威胁，随即转向西域，与西突厥展开争夺。
东突厥灭亡后，西域伊吾的突厥部落归附唐朝，唐太宗在此设西伊州（后改称“伊州”），打开了唐朝通往西域的门户。公元635年，唐太宗派李靖、侯君集率军击败吐谷浑，消除了河西走廊南侧的威胁，为经营西域扫清障碍。公元640年，侯君集率军灭高昌国（以吐鲁番为中心，主体居民为汉人），设西州；又在西突厥驻军的可汗浮屠城（今新疆昌吉州吉木萨尔县）设庭州——伊州、西州、庭州的设立，使唐朝牢牢控制了西域东部，成为进一步向西推进的基地。
西突厥不愿放弃西域利益，支持焉耆、龟兹等国对抗唐朝。公元644年，唐朝击败焉耆；公元648年，攻克龟兹，将西域都护府从西州迁至今库车，设立“安西四镇”（龟兹、于阗、疏勒、焉耆），统辖西域南部。此时的西突厥因内部动乱（公元627年起持续20余年）实力大减，公元657年，唐高宗派苏定方率军灭西突厥，将其疆域纳入唐朝版图——至此，西域全部归入唐朝统治。
公元658年，唐朝升安西都护府为“安西大都护府”，作为西域最高军政机构，重设安西四镇；公元702年，武则天在庭州设“北庭都护府”，管辖天山以北、巴尔喀什湖以南地区，与安西大都护府分工明确：安西管天山以南，北庭管天山以北。两大都护府的设立，标志着唐朝对西域的统治进入鼎盛时期。
唐朝对西域的治理，延续并发展了“因地制宜”的策略：伊州、西州、庭州实行与内陆相同的州县制，推行均田制、租庸调制；其他区域实行“羁縻府州制”，任命当地首领为都督、刺史，允许世袭，需向唐朝纳贡、出兵助战，但保留内部治理权。此外，唐朝还在西域大规模屯田（据记载，安西、北庭都护府的屯田面积达数千顷），修建烽燧、城堡、驿站，形成覆盖西域的交通与防御网络——这些措施，既保障了军队补给与丝绸之路畅通，也促进了西域的经济发展。
当然，唐朝在西域的统治并非毫无挑战：青藏高原的吐蕃王朝在鼎盛时期，多次从南疆入侵西域，与唐朝争夺安西四镇。安西四镇曾因吐蕃进攻多次废置，公元679年重新设立时，更以碎叶镇（今吉尔吉斯斯坦托克马克市附近）取代焉耆镇，以加强对西域西部的控制。尽管争夺激烈，但在安史之乱前，唐朝始终保持着对西域的主导权。
公元755年，安禄山叛乱爆发后，唐玄宗急调西域精锐安西节度使封常清所部回内陆平叛，仅留下少量兵力（约数千人）由将领郭昕、李元忠等人统领，驻守龟兹、于阗、疏勒、焉耆等安西四镇，以及北庭都护府。
可谁也没想到，这一“留守”，竟成了与中原的“永别”——吐蕃趁机攻占河西走廊，764年占领凉州，766年占领甘州、肃州，彻底切断了西域与长安的交通线。从此，西域孤军陷入“与世隔绝”的境地，只能在吐蕃、回鹘的夹缝中艰难求生。
这是一次悲壮而漫长的坚守。
与中原断联后，郭昕、李元忠等将领没有放弃。他们一方面整合留守士兵与当地汉人，在龟兹、北庭等孤城推行“自治”：开垦屯田（利用此前唐朝在西域的屯田基础）、修缮城防，甚至铸造货币（近年考古发现的“大历元宝”“建中通宝”，就是郭昕部在西域自行铸造的，用于稳定当地经济）；另一方面，他们主动与天山以北的回鹘结盟——此时回鹘已取代突厥成为草原霸主，且与唐朝关系友好，双方约定“共抗吐蕃”，回鹘提供部分粮草支持，孤军则帮助回鹘抵御吐蕃对天山以北的进攻。
就这样，这支孤军在“无朝廷诏令、无援军、无粮草补给”的情况下，硬是守住了安西四镇和北庭都护府的核心区域，甚至在781年（唐德宗建中二年），通过回鹘的驿路，辗转派出使者抵达长安——当使者带着郭昕的奏疏出现在朝堂时，唐德宗才知道：西域居然还在唐军手中！
满朝文武无不震惊落泪，德宗当即下诏，封郭昕为“武威郡王”，李元忠为“北庭大都护”，并下令褒奖所有留守士兵（此时他们已坚守西域26年，很多人从青年熬成了白发老人）。
可惜，唐朝此时已国力衰微，即便知道西域孤军的存在，也无力派出援军。而吐蕃对西域的进攻从未停止：808年（唐宪宗元和三年），吐蕃集中重兵围攻北庭都护府，北庭守将杨袭古率残部拼死抵抗，最终城破，杨袭古突围后投奔回鹘，却被回鹘贵族因担心得罪吐蕃而杀害。北庭的陷落，标志着唐朝在天山以北的统治彻底终结。
北庭陷落后，安西四镇（尤其是龟兹）成了最后的孤岛。郭昕率部坚守龟兹，与吐蕃展开最后的拉锯。关于安西四镇最终陷落的时间，史料没有明确记载（因与中原再次失联），但根据敦煌文书《悟空入竺记》（悟空是唐代高僧，曾在西域停留）和考古发现推测：大约在808年至820年之间，吐蕃攻占龟兹，郭昕率部战死（一说失踪，无确切记载），安西四镇全部陷落——至此，唐朝在西域的统治彻底终结，这支坚守了近半个世纪的孤军，最终用生命诠释了“忠君报国”的信念。
从公元630年经营西域，到公元8世纪末退出，唐朝对西域的统治持续约一个半世纪。这一时期的西域，不仅是唐朝的军事屏障与丝绸之路核心枢纽，更是多元文化交融的舞台：中原的汉字、历法、典章制度传入西域，西域的音乐、舞蹈、宗教（如佛教）也影响中原，形成了“胡汉交融”的独特文化风貌。正如历史学者评价：唐朝对西域的经营，规模与深度均超越前代，成为中华文明治理西域的“巅峰之作”——而这一辉煌，也为后续清朝重新统一西域，奠定了历史基础。
西域与中华文明的羁绊，并未因唐朝的退出而中断。在接下来的历史中，回鹘西迁、吐蕃统治、西辽崛起、蒙古入主，直至清朝将西域命名为“新疆”并设省，这片土地将继续书写与中华文明紧密相连的新篇章。