唐帝国在西突厥斯坦的统治受到兴起的阿拉伯帝国和一些突厥旁支的骚扰；在东突厥斯坦则主要受到青藏高原兴起的吐蕃的进攻，他们是藏人的祖先。与吐蕃相比，最终在蒙古高原取代突厥汗国的回鹘汗国对唐帝国较为友好。回鹘人是一支说突厥语族语言的部族，曾参与消灭突厥残余势力。当唐帝国和吐蕃先后衰落，回鹘汗国也于公元840年灭亡，余部西迁，在突厥斯坦主要有两个政权。一是塔里木盆地东部的西州回鹘，信仰佛教和摩尼教；一是塔里木盆地西部及河中地区东部的喀喇汗王朝（亦称黑汗），接受了伊斯兰教。此后几百年，回鹘人逐渐同化了塔里木盆地几乎所有的先住民——吐火罗人、伊朗人、汉人、粟特人、吐蕃人，尽管被同化者似乎有着更高的文明。其中喀喇汗王朝不断向东方发动圣战，消灭了信仰佛教的于阗政权，推进着地区伊斯兰化进程。

1124年，来自中国北方的汉化的信仰佛教的契丹人征服了所谓的突厥斯坦地区。1218年，蒙古人消灭了契丹人的西辽。成吉思汗将突厥斯坦分配给次子察合台，建立了察合台汗国。察合台的后裔后来又分裂成河中地带和天山南北路（即所谓的东突厥斯坦地区）两部分。当帖木尔的帝国从河中地区兴起后，天山南北路的察合台后裔成为他的附庸。察合台汗国时代，塔里木盆地最终完成了伊斯兰化和突厥化，包括察合台蒙古人在内，绿洲居民几乎都成为操突厥语信仰伊斯兰教的维吾尔人（即回鹘人）。