唐帝國在西突厥斯坦的統治受到興起的阿拉伯帝國和一些突厥旁支的騷擾；在東突厥斯坦則主要受到青藏高原興起的吐蕃的進攻，他們是藏人的祖先。與吐蕃相比，最終在蒙古高原取代突厥汗國的回鶻汗國對唐帝國較為友好。回鶻人是一支說突厥語族語言的部族，曾參與消滅突厥殘餘勢力。當唐帝國和吐蕃先後衰落，回鶻汗國也於公元840年滅亡，餘部西遷，在突厥斯坦主要有兩個政權。一是塔里木盆地東部的西州回鶻，信仰佛教和摩尼教；一是塔里木盆地西部及河中地區東部的喀喇汗王朝（亦稱黑汗），接受了伊斯蘭教。此後幾百年，回鶻人逐漸同化了塔里木盆地幾乎所有的先住民——吐火羅人、伊朗人、漢人、粟特人、吐蕃人，儘管被同化者似乎有着更高的文明。其中喀喇汗王朝不斷向東方發動聖戰，消滅了信仰佛教的于闐政權，推進着地區伊斯蘭化進程。

1124年，來自中國北方的漢化的信仰佛教的契丹人征服了所謂的突厥斯坦地區。1218年，蒙古人消滅了契丹人的西遼。成吉思汗將突厥斯坦分配給次子察合台，建立了察合台汗國。察合台的後裔後來又分裂成河中地帶和天山南北路（即所謂的東突厥斯坦地區）兩部分。當帖木爾的帝國從河中地區興起後，天山南北路的察合台後裔成為他的附庸。察合台汗國時代，塔里木盆地最終完成了伊斯蘭化和突厥化，包括察合台蒙古人在內，綠洲居民幾乎都成為操突厥語信仰伊斯蘭教的維吾爾人（即回鶻人）。