公元7世纪，唐朝代隋而兴。
唐太宗联合漠北铁勒诸部灭东突厥汗国。西域诸国为之震动，各地首领纷纷要求归附，尊唐太宗为“
天可汗”。公元630年，伊吾（今哈密）城主率所属7城自愿归顺唐朝。唐朝设置西伊州（后改称伊州），西域门户洞开。高昌、焉耆、龟兹、疏勒等纷纷效仿。公元640年，唐军渡过沙漠，击败了追随突厥反唐的高昌麴氏王朝。高昌归唐朝所属。唐朝在此设置西州，并建庭州于可汗浮图城（今吉木萨尔）。同年置安西都护府，府治初设西州，这是唐朝在西域建立的第一个高级军政管理机构。
公元647年，唐朝大规模用兵西域，打败同唐朝作对的西突厥势力，攻下焉耆、龟兹诸地，收其降部，完成统一西域的宏图大业。随后，唐朝设立焉耆、龟兹、毗沙、疏勒等都督府，府下领藩州若干。次年，迁安西都护府于龟兹城，同时设立龟兹、于阗、疏勒、碎叶（今
吉尔吉斯斯坦托克玛克）四个军镇，史称“安西四镇”。至此，唐朝对西域的统一管辖局面基本形成。
公元657年，唐朝将领
苏定方、阿史那弥射南北合击，平定了西突厥首领阿史那贺鲁叛乱，西突厥全境及所属中亚领土都归属唐朝，西域诸国均归唐朝所属。在平叛过程中，唐朝将安西都护府升级为大都护府，并在原阿史那贺鲁的分地设置濛池、昆陵两个都护府，列置州县，进行管理。这两个都护府都归安西大都护府管辖。
公元702年，
武则天为加强对天山北部的管辖，在庭州（今吉木萨尔）设立北庭都护府，公元709年，改设北庭大都护府，其管辖范围以天山以北和巴尔喀什湖广大地区为主。安西大都护府管辖天山南部和
葱岭以西的广大地区。
唐玄宗年间，唐朝在安西、北庭两大都护府之上设立“碛西节度使”，此是当时全国八大节度使之一。