域各国的势力，至汉代，行政机构西域都护府所管辖范围则已不只三十六国，《汉书·西域传》亦记载在前六年到五年中西域分裂为五十余国，东汉末年，西域各国相互之间不断兼并，至晋朝初年形成了鄯善、车师等几个大国并起的局面，南北朝时期，西域局势再度变化，新兴的高昌国相继击败西域诸个国家，建立了一个地跨新疆大部的强国，除少数国家外西域诸国国土西迁，为中亚地区带来了繁荣的文化。
汉代“西域都护府”位于巴音郭楞蒙古自治州（简称“巴州”）的轮台县，野云沟乡和策大雅乡结合，西域都护府距库尔勒市一百一十三公里，距轮台县城五十八公里，海拔高度九百九十九米，现已辟为巴音郭楞的一个旅游点，吸收中外游客之多。
汉宣帝神爵二年（前六十）在此设西域都护府，名为乌垒城（前名轮台国）是当时汉朝管理西域三十六国的政治、经济、文化和军事中心，当时西域都护由皇帝亲自任命，三年一替（也有延长和缩短的）从未间断，据《汉书》记载：西汉历任都护十八人，其中立传可考的历史上著名的有郑吉、郑宣、甘延寿、段会宗、廉褒、韩立、郭舜、孙健、李崇、但钦等十人，当时轮台国是个城郭之国，都护府直接对其统辖，相当于现在的首府，似乎比其他绿洲城国和游牧行国的权力稍大，轮台王曾多次受皇帝亲召幸朝，汉朝另设置戍已校尉、戍部候等行政、军事、机构，对当地的少数民族上层人物封以王、侯、将、相、大夫、都尉等官职，他们均受西域都护府的管辖。
西域从汉武帝刘彻时起属于汉朝，西域三十六国是婼羌、楼兰（鄯善）、且末、小宛、精绝、戎卢、扜弥、渠勒、于阗、皮山、乌秆、西夜、子合、蒲犁、依耐、无雷、难兜、大宛、桃槐、休循、捐毒（今乌恰县）、莎车、疏勒、尉头、姑墨（今阿克苏县）、温宿（今乌什县）、龟兹（今库车县）、尉犁、危须、焉耆、姑师（车师）、墨山、劫、狐胡、渠犁、乌垒，三十六国中，一部分是游牧部落，另一部分是城郭之国，当时于阗、焉耆、疏勒是西域三大强国。
西汉末年，王莽篡位，中原骚乱，匈奴乘机统治西域，各族人民不堪敛税重苛的虐待，向东汉武帝请求三次，十八国国王以送儿子到洛阳学习当人质真诚誓言，要求内属中原，刘秀在立足未稳之时，十分不情愿的将西域都护府迁往龟兹乾城（今新和县境内）。
西汉时，都护为加于其他官号上的职称，多以骑都尉领其职，秩比二千石，东汉时为单任官职，武帝、昭帝时常在渠犁、轮台屯田，置使者校尉领护，以供应往来使者，宣帝地节二年，遣侍郎郑吉屯田渠犁，与匈奴争车师，有功，迁卫司马，使护鄯善以西“南道”诸国，至神爵二年，匈奴日逐王降汉，使郑吉发兵迎之，“北道”亦通，遂以郑吉为骑都尉，兼护车师以西“北道”诸国，因总领南北两道，故号都护，都护之置始于此，西汉时，都护治乌垒城（今新疆轮台东北），与渠犁田官相近，屯田都尉属都护，都护开幕府，属官有副校尉，秩比二千石，丞一人，司马、侯、千人各两人，都护职在统领大宛（今俄罗斯费尔干纳盆地）及其以东城郭诸国兼督察乌孙（伊犁河流域）、康居（今锡尔河中游地带）等行国，颁行朝廷号令，诸国有乱，得发兵征讨，乌孙与汉结姻，故尤亲倚都护，自郑吉至王莽时，连置都护不绝，前后凡十八人，姓名见于史册的有十人，宣帝时有郑吉，元帝时有韩宣、甘延寿，成帝时有段会宗、韩立、廉褒、郭舜，平帝时有孙建、但钦，新莽时有李崇，至新莽末，西域乱，李崇没于龟兹，遂罢都护，东汉光武帝建武二十一年，西域十八国请复置都护，光武帝不许，明帝永平十七年，始以陈睦为都护，次年，焉耆、龟兹叛，共攻杀陈睦，遂罢都护，和帝永元三年，将兵长史班超平定西域，遂以班超为都护，驻龟兹境它乾城（今新疆库车附近，其址未详），十四年，班超还洛阳，继任者有任尚、段禧，安帝永初元年，西域乱，征禧还，自此不复置都护，至延光二年，以班勇（班超之子）为西域长史，复平西域，遂以长史行都护之职。
西汉宣帝第二年（公元前六十八年）派侍郎郑吉屯田渠黎（今新疆尉黎一带），与匈奴争夺东师，使护卫鄯善以西“南道”诸国安全，至神爵二年（前六十年），匈奴逐日归降汉朝，郑吉派兵迎之，宣帝又命郑吉监护车师西北方（北道）各国的安全，因总领两道，遂号都护，此后“都护”就成为西汉派驻西域的最高长官的正式官名，西域都护官秩二千石，相当内地郡守，其下设副校尉、丞、司马等属吏，西域都护的设置，保证了丝绸之路的畅通，加强了民族间的团结和经济文化交流，标志西域正式归属中央政权，同时，因其在当地实行屯田政策，也在一定程度上促进了西域农业生产的发展。王莽时期撤除，东汉或设或撤，安帝永初元年（一零七年）撤除。
西汉时期，今甘肃玉门关、阳关以西，即今新疆以及更远的地方，统称为西域，这是广义的西域，狭义的西域，仅指今新疆天山南北，即玉门关、阳关以西，巴尔喀什湖和葱岭以东，准噶尔沙漠以南，西藏高原以北的地区，西汉初，这里有三十六个小国，后又分为五十余国。
西域诸国以天山为界，分为南北两部，绝大部分分布在天山以南的塔里木盆地周边，塔里木盆地南缘有且末、小宛、精绝、扞弥、于阗、皮山、莎车等国，被称为“南道诸国”，在盆地的北缘有危须、焉耆、尉犁、乌垒、龟兹、姑墨、温
宿、尉头、疏勒等国，被称为“北道诸国”，在盆地西南、葱岭一带有蒲犁、无雷等国，在盆地的东端有楼兰，后称鄯善。这些国家语言不一，习俗各异，互不统属，人口少则几百，多则数万，一般为几千人到两三万人，龟兹人口最多，才八万人，它们多以城郭为中心，居民多从事农牧业，少数国家逐水草而居，单纯从事畜牧业，以畜产品等与邻国交换粮食等农产品，有些国家生产力水平有相当发展，已经掌握了冶铁技术，楼兰人就懂得制造铁兵器。
天山以北，巴尔喀什湖以南的准噶尔盆地，是一个游牧区域，盆地西部的伊犁河流域，原来居住着塞种人，西汉文帝时，原来游牧于敦煌、祁连间的月氏人，被匈奴逼迫，西迁至此，挤走了塞种人，其后原居住于河西一带的乌孙，为了摆脱匈奴的羁绊，也向西迁徙到此，把月氏人赶走，占领了这块土地，大部分月氏人被迫再往西迁到妫水（今阿姆河）以北地区，称大月氏，少部分留下来，称小月氏，乌孙有六十三万人（包括留居此地的塞种人和月氏人），他们与匈奴同俗，过着逐水草而居的游牧生活，准噶尔盆地以南的天山缺口，由姑师控制，姑师后来分为车师前国、车师后国，车师前国一带土地肥沃，农业相当发达。
从玉门关到西域，有两条主要通道：一条经塔里木盆地东端的楼兰（鄯善），折向西南，沿昆仑山北麓西行至莎车，为南道，南道西逾葱岭，可至中亚的大月氏、大夏、安息等国，另一条经车师前国，沿天山南麓西行至勒，为北道，北道西逾葱岭，可至中亚的大宛、康居、奄焉等国。
西汉文帝初，匈奴的势力扩展到西域地区，在这里设置了“僮仆都尉”一职，对西域诸国进行监视，向它们征收繁重的赋税，并把西域作为进攻西汉王朝西北部的战略基地，对西汉构成极大的威胁。