在公元前五世紀左右，西域地區開始逐漸繁榮，西域各國利用地處東西方交往要道的地里優勢逐漸發展，在西漢管轄下各國的經濟文化的道德極大發展。
西域一帶在可考歷史中於前五世紀左右形成國家，並開始獨立發展。
《漢書·西域傳》記載當時已有三十余國分布在西域地區，故有“西域三十六國”之說，在張騫打通西域之前，匈奴一直是支配西域各國的勢力，至漢代，行政機構西域都護府所管轄范圍則已不只三十六國，《漢書·西域傳》亦記載在前六年到五年中西域分裂為五十余國，東漢末年，西域各國相互之間不斷兼並，至晉朝初年形成了鄯善、車師等幾個大國並起的局面，南北朝時期，西域局勢再度變化，新興的高昌國相繼擊敗西域諸個國家，建立了一個地跨新疆大部的強國，除少數國家外西域諸國國土西遷，為中亞地區帶來了繁榮的文化。
漢代“西域都護府”位於巴音郭楞蒙古自治州（簡稱“巴州”）的輪台縣，野雲溝鄉和策大雅鄉結合，西域都護府距庫爾勒市一百一十三公里，距輪台縣城五十八公里，海拔高度九百九十九米，現已辟為巴音郭楞的一個旅游點，吸收中外游客之多。
漢宣帝神爵二年（前六十）在此設西域都護府，名為烏壘城（前名輪台國）是當時漢朝管理西域三十六國的政治、經濟、文化和軍事中心，當時西域都護由皇帝親自任命，三年一替（也有延長和縮短的）從未間斷，據《漢書》記載：西漢歷任都護十八人，其中立傳可考的歷史上著名的有鄭吉、鄭宣、甘延壽、段會宗、廉褒、韓立、郭舜、孫健、李崇、但欽等十人，當時輪台國是個城郭之國，都護府直接對其統轄，相當於現在的首府，似乎比其他綠洲城國和游牧行國的權力稍大，輪台王曾多次受皇帝親召幸朝，漢朝另設置戍已校尉、戍部候等行政、軍事、機構，對當地的少數民族上層人物封以王、侯、將、相、大夫、都尉等官職，他們均受西域都護府的管轄。
西域從漢武帝劉徹時起屬於漢朝，西域三十六國是婼羌、樓蘭（鄯善）、且末、小宛、精絕、戎盧、扜彌、渠勒、於闐、皮山、烏稈、西夜、子合、蒲犁、依耐、無雷、難兜、大宛、桃槐、休循、捐毒（今烏恰縣）、莎車、疏勒、尉頭、姑墨（今阿克蘇縣）、溫宿（今烏什縣）、龜茲（今庫車縣）、尉犁、危須、焉耆、姑師（車師）、墨山、劫、狐胡、渠犁、烏壘，三十六國中，一部分是游牧部落，另一部分是城郭之國，當時於闐、焉耆、疏勒是西域三大強國。
西漢末年，王莽篡位，中原騷亂，匈奴乘機統治西域，各族人民不堪斂稅重苛的虐待，向東漢武帝請求三次，十八國國王以送兒子到洛陽學習當人質真誠誓言，要求內屬中原，劉秀在立足未穩之時，十分不情願的將西域都護府遷往龜茲干城（今新和縣境內）。
西漢時，都護為加於其他官號上的職稱，多以騎都尉領其職，秩比二千石，東漢時為單任官職，武帝、昭帝時常在渠犁、輪台屯田，置使者校尉領護，以供應往來使者，宣帝地節二年，遣侍郎鄭吉屯田渠犁，與匈奴爭車師，有功，遷衛司馬，使護鄯善以西“南道”諸國，至神爵二年，匈奴日逐王降漢，使鄭吉發兵迎之，“北道”亦通，遂以鄭吉為騎都尉，兼護車師以西“北道”諸國，因總領南北兩道，故號都護，都護之置始於此，西漢時，都護治烏壘城（今新疆輪台東北），與渠犁田官相近，屯田都尉屬都護，都護開幕府，屬官有副校尉，秩比二千石，丞一人，司馬、侯、千人各兩人，都護職在統領大宛（今俄羅斯費爾干納盆地）及其以東城郭諸國兼督察烏孫（伊犁河流域）、康居（今錫爾河中游地帶）等行國，頒行朝廷號令，諸國有亂，得發兵征討，烏孫與漢結姻，故尤親倚都護，自鄭吉至王莽時，連置都護不絕，前後凡十八人，姓名見於史冊的有十人，宣帝時有鄭吉，元帝時有韓宣、甘延壽，成帝時有段會宗、韓立、廉褒、郭舜，平帝時有孫建、但欽，新莽時有李崇，至新莽末，西域亂，李崇沒於龜茲，遂罷都護，東漢光武帝建武二十一年，西域十八國請復置都護，光武帝不許，明帝永平十七年，始以陳睦為都護，次年，焉耆、龜茲叛，共攻殺陳睦，遂罷都護，和帝永元三年，將兵長史班超平定西域，遂以班超為都護，駐龜茲境它干城（今新疆庫車附近，其址未詳），十四年，班超還洛陽，繼任者有任尚、段禧，安帝永初元年，西域亂，征禧還，自此不復置都護，至延光二年，以班勇（班超之子）為西域長史，復平西域，遂以長史行都護之職。
西漢宣帝第二年（公元前六十八年）派侍郎鄭吉屯田渠黎（今新疆尉黎一帶），與匈奴爭奪東師，使護衛鄯善以西“南道”諸國安全，至神爵二年（前六十年），匈奴逐日歸降漢朝，鄭吉派兵迎之，宣帝又命鄭吉監護車師西北方（北道）各國的安全，因總領兩道，遂號都護，此後“都護”就成為西漢派駐西域的最高長官的正式官名，西域都護官秩二千石，相當內地郡守，其下設副校尉、丞、司馬等屬吏，西域都護的設置，保證了絲綢之路的暢通，加強了民族間的團結和經濟文化交流，標志西域正式歸屬中央政權，同時，因其在當地實行屯田政策，也在一定程度上促進了西域農業生產的發展。
王莽時期撤除，東漢或設或撤，安帝永初元年（一零七年）撤除。
西漢時期，今甘肅玉門關、陽關以西，即今新疆以及更遠的地方，統稱為西域，這是廣義的西域，狹義的西域，僅指今新疆天山南北，即玉門關、陽關以西，巴爾喀什湖和蔥嶺以東，准噶爾沙漠以南，西藏高原以北的地區，西漢初，這里有三十六個小國，後又分為五十余國。
西域諸國以天山為界，分為南北兩部，絕大部分分布在天山以南的塔里木盆地周邊，塔里木盆地南緣有且末、小宛、精絕、扞彌、於闐、皮山、莎車等國，被稱為“南道諸國”，在盆地的北緣有危須、焉耆、尉犁、烏壘、龜茲、姑墨、溫宿、尉頭、疏勒等國，被稱為“北道諸國”，在盆地西南、蔥嶺一帶有蒲犁、無雷等國，在盆地的東端有樓蘭，後稱鄯善。
這些國家語言不一，習俗各異，互不統屬，人口少則幾百，多則數萬，一般為幾千人到兩三萬人，龜茲人口最多，才八萬人，它們多以城郭為中心，居民多從事農牧業，少數國家逐水草而居，單純從事畜牧業，以畜產品等與鄰國交換糧食等農產品，有些國家生產力水平有相當發展，已經掌握了冶鐵技術，樓蘭人 就懂得制造鐵兵器。
天山以北，巴爾喀什湖以南的准噶爾盆地，是一個游牧區域，盆地西部的伊犁河流域，原來居住著塞種人，西漢文帝時，原來游牧於敦煌、祁連間的月氏人，被匈奴逼迫，西遷至此，擠走了塞種人，其後原居住於河西一帶的烏孫，為了擺脫匈奴的羈絆，也向西遷徙到此，把月氏人趕走，占領了這塊土地，大部分月氏人被迫再往西遷到媯水（今阿姆河）以北地區，稱大月氏，少部分留下來，稱小月氏，烏孫有六十三萬人（包括留居此地的塞種人和月氏人），他們與匈奴同俗，過著逐水草而居的游牧生活，准噶爾盆地以南的天山缺口，由姑師控制，姑師後來分為車師前國、車師後國，車師前國一帶土地肥沃，農業相當發達。
從玉門關到西域，有兩條主要通道：一條經塔里木盆地東端的樓蘭（鄯善），折向西南，沿昆侖山北麓西行至莎車，為南道，南道西逾蔥嶺，可至中亞的大月氏、大夏、安息等國，另一條經車師前國，沿天山南麓西行至勒，為北道，北道西逾蔥嶺，可至中亞的大宛、康居、奄焉等國。
西漢文帝初，匈奴的勢力擴展到西域地區，在這里設置了“僮仆都尉” 一職，對西域諸國進行監視，向它們征收繁重的賦稅，並把西域作為進攻西漢王朝西北部的戰略基地，對西漢構成極大的威脅。
漢武帝對匈奴進行戰爭時，為了截斷匈奴右臂，曾於建元三年（公元前一百三十八年），派漢中人張騫赴西域聯絡大月氏，欲利用大月氏與匈奴的矛盾，與大月氏共同夾擊匈奴。
張騫雖因大月氏不願東返而未能完成此行的任務，但他在西行途中，傳播了西漢的國威，獲得了大量前所未有的西域資料，使西漢政府增加了對西域的了解，溝通了西漢與西域各族之間的聯系。
漠北戰役之後，匈奴單於退往漠北，河西走廊也為西漢所控制，通往西域的道路已經打開，但是匈奴在西域仍保存著相當的勢力，嚴重威脅著漢與西域的交通。