16世纪初，昔班尼在汗位时，乌孜别克汗国复兴，并达到鼎盛阶段。1500年，昔班尼汗率军南征，先后占领布哈拉、撒马尔罕、讹迹干、塔什干、巴尔赫等地，灭亡帖木儿帝国。乌孜别克人进入中亚农业区并建立政权后，与当地居民融合，逐渐成为乌孜别克族。
1428年，歪思汗去世，长子羽奴思与次子也先不花争夺汗位，结果也先不花称汗，羽奴思逃亡帖木儿帝国。也先不花汗多次出兵，攻掠帖木儿帝国。1456年，帖木儿帝国护送羽奴思东归，羽奴思攻占费尔干至阿克苏和伊塞克湖以南地区后，遂自立为汗，东察合台汗国因此而又分为南、北两个部分。1462年，也先不花死，羽奴思攻占吐鲁番等地，统一东察合台汗国，并与明朝争夺哈密。1487年，羽奴思汗去世，长子马黑木在塔什干继位，统有汗国西部领土。次子阿黑麻汗控制着从阿克苏到吐鲁番的广大地区，并占据哈密。
15—16世纪，柯尔克孜族人大批进入新疆。柯尔克孜，汉代称坚昆，唐代称黠戛斯，元代称吉利吉思，一直居住在叶尼塞河上游地区。瓦刺强盛起来以后，吉利吉思人受到瓦刺人的侵袭，被迫西迁。他们首先越过阿尔泰山，南穿准噶尔盆地，到达伊塞克湖周围和伊犁河上游地区，其中一部分又南逾天山，达乌什、喀什噶尔及其以西地区。西迁的吉利吉思人依附于东察合台汗国，并逐渐信仰了伊斯兰教。萨亦德汗建立叶尔羌汗国时，吉利吉思人竭力援助。
汉代，新疆地区的古代民族主要有塞、月氏(音：肉支r6uzhi)、乌孙、羌、匈奴和汉人。
塞人，在西方史籍中被称为“萨迦”，原游牧于甘肃西部的敦煌一带，汉文史籍称其为“允戎”，因被月氏人排挤而西迁。至战国时期，塞人主要活动于北疆西部和西北部以及伊犁河流域、帕米尔地区。1976年，考古工作者在阿拉沟东口发掘了一批塞人的墓葬，发现了小铁刀、三棱形铁镞等，还有随葬的羊、牛、马骨，说明在战国时期，塞人已经使用铁器，仍过着以游牧为主的经济生活。在伊犁尼勒克奴拉赛山，考古工作者发现了一处距今2400多年的铜矿采掘、冶炼遗址。矿洞、坑道都用松木支架，深达数十米。在离矿坑不远的山沟内，发现有供冶炼用的木炭、铜锭。说明塞人在找矿、采掘、冶炼各个方面都已经有了比较成熟的经验，达到了相当高的工艺水平。考古工作者在塔什库尔干香宝宝发掘的塞人的墓葬中，发现有殉葬的奴隶。说明在战国时期，塞人已进入了奴隶社会发展阶段。
大约在公元前2世纪初期，居住在河西地区的月氏人由于受到匈奴的攻击，西迁至伊犁河流域，而将塞人驱逐出该地。塞人南迁葱岭(今帕米尔高原)。
月氏人，战国时期活动于包括河西走廊在内的甘肃西部到塔里木盆地的广大地区。秦汉之际最为强盛，常常轻视匈奴。匈奴著名单于冒顿为太子时，就曾作为人质扣押在月氏。月氏还攻击过乌孙，杀其王难兜靡，占据祁连山北麓。公元前177年，匈奴攻破月氏，迫使大部分月氏人西迁至伊犁河流域，逐走那里的塞人而居其地。后匈奴联合乌孙再次攻击月氏，并击杀月氏王。月氏人再迁至大夏(今阿姆河上游地区)，并逐渐控制了大夏的土地，才安定下来。
乌孙，最初活动于河西走廊，是月氏旁边的小国。约在秦末汉初，乌孙受月氏人的攻击，其王难兜靡被杀，部众逃往匈奴。当时，乌孙王难兜靡之子尚在襁褓中，也被匈奴单于所收养。乌孙王子长大后，率所属部众为匈奴守边。公元前
161年，他在匈奴的支持下，率乌孙向西迁徙，追袭大月氏，以报杀父之仇。结果，月氏溃败，被迫南迁，乌孙遂占有伊犁河流域。
羌族，是我国古老的民族之一，是形成中华民族的重要远族。传说中炎帝也是羌族的祖先。后来羌族的一部分向东迁徙，较早地融人了华夏族；一部分留在原地或向今甘肃、青海、西藏等省、自治区迁徙。战国时期，秦国的势力不断向西发展，迫使一部分羌族部落由河湟一带经阿尔金山口进入塔里木盆地南缘。
羌族人在新疆的活动已被考古资料所证实。学术界都认为，正是由于羌族人曾在新疆活动过，才留下了“若羌”这个地名。考古工作者在沙雅县还发现了“汉归义羌长印”，说明直至汉代，羌族人仍是新疆地区一支举足轻重的力量。
匈奴，是我国历史上北方一个重要的古老的民族。它兴起于战国时期，强胜于秦末汉初。匈奴是一个游牧民族，畜牧业在其社会生活中占有主要地位，畜群既是他们的生产资料，又是他们的生活资料。匈奴人饲养的牲畜主要有马、牛、骆驼、驴等。
公元前209年，头曼单于的儿子冒顿射杀其父，自立为单于。从此，单于的世袭制度便在匈奴社会中确立下来。
冒顿单于(音：末独蝉于)继位后，逐渐强盛，曾战败过汉高祖刘邦。汉朝采用“和亲”方式与匈奴修好。公元前177年(汉文帝前元三年)，匈奴右贤王入侵河套，被汉朝击败。右贤王逃出长城，随即被冒顿单于派往西域征伐月氏。月氏被迫西迁，经过焉耆以西的开都河谷，逃到伊犁河流域，击败了塞人，在那一带建立了政权。塞人大部分向西南帕米尔高原及厨宾
(位于今克什米尔一带。厨：音计ji)迁徙，在ji宾建立了新的政权，一部分仍留居伊犁。匈奴击败月氏后，分兵征服了龟兹、鄯善、车师、疏勒、于阗等三十六国。冒顿单于将乌孙王昆莫西迁到新疆东部天山以北的蒲类海(今巴里坤湖)周围，乌孙原来游牧之地分封给了浑邪王、休屠王。
公元前174年(汉文帝前元六年)，冒顿致书汉朝，称已消灭了月氏，西域各地如楼兰、乌孙、呼揭等已经归属匈奴。汉文帝回信，指责匈奴违背和约，破坏了兄弟之情。匈奴征服西域后，将其置于右贤王属地，后来又派遣日逐王统辖西域。日逐王设立“僮仆都尉”，驻守焉耆、危须、尉犁等地。从“僮仆都尉”一词看，匈奴实际上将西域各族人民均视为自己的奴隶。西域各地人民不但要向匈奴缴纳繁重的赋税，而且还要承担匈奴使者的费用。另外，匈奴单于也强迫西域各地的统治者将其子女送往匈奴充当人质。有时也采用“和亲”方式，将公主或亲族的女子嫁给一些国王为妻，见于历史记载的就有乌孙、车师、鄯善、焉耆等地的统治者娶过匈奴公主。
公元前60年，匈奴统治集团发生分裂，管理匈奴西部的日逐王先贤掸率众归属汉朝。于是，汉宣帝任命郑吉为都护，设立西域都护府，治乌垒城(位于今轮台县东策大雅地区)，辖西域诸国。自此，新疆就正式列入了汉朝的版图，成为中国领土的一部分。但是，匈奴势力在西域仍有一定影响。西汉末东汉初，匈奴一度卷土重来。直至公元l世纪末2世纪初，北匈奴西迁欧洲，南匈奴内迁，逐渐与汉族和其他少数民族相融合。匈奴西迁以后，一些归附匈奴的属部独立了，一些不愿意西迁的匈奴人自成一体，另立名称，后来出现了名目繁多的匈奴化部落。
汉代，新疆的汉人主要是戍边官吏、屯田士卒、商人、普通百姓及部分刑徒、家属等。他们肩负着管理和稳定新疆的重任，有相当一部分人在西域都护府等军政机关以及地方各部门任职。
自公元前101年起，汉朝就在轮台、尉犁屯田，后来扩大到全疆各地。所以，各屯田点就成了汉人进入新疆后最初的分布区域。汉朝统一西域后，东西交通畅通，加之汉朝中央政府对戍边人员的一系列优惠政策的实施，来新疆的汉人日益增多。至汉代末年，汉人已经形成遍布新疆各地的大分散和各屯田点小集中的格局。
汉代，塔里木盆地周围以及天山山谷等地带分布着许多小国，人口多者有八万人，少者仅一二千人，史称“西域三十六国”。因三十六国多以城郭为中心，故又称“城郭诸国”。他们的大概分布是：塔里木盆地南缘有楼兰(后改为鄯善)、且末、精绝、风弥、于阗、莎车、皮山等国。塔里木盆地北缘有疏勒、姑墨、乌垒、龟兹(音：秋词qiuci)、焉耆、尉犁以及车师等。此外，在天山北麓还有东、西蒲类，东、西且弥等；在帕米尔高原北部则有休循、捐毒等；在昆仑山、喀喇昆仑山北麓还有若羌、西夜、子合等。以民族分类，这些国家应该分别是由塞人、羌人或月氏人建立的。
维吾尔族。主要聚居在南疆地区，其次是哈密、吐鲁番等地区。准噶尔控制天山以南广大地区后，将部分首领拘禁于伊犁作为人质。还强迫部分维吾尔人迁至伊犁河谷，种地纳粮。这些从事耕作的维吾尔人被称为“塔兰奇”，即种地人。清朝政府统一新疆以后，维吾尔族的分布格局基本没变，但分布区域扩大了。为了解决军队的粮食供应问题，自1760年起，清朝政府开始有组织地在南疆各地及哈密、吐鲁番地区招募维吾尔族居民赴伊犁屯田，致使伊犁地区成为维吾尔族新的聚居区。随着北疆地区的农业开发和社会的发展，在乌鲁木齐定居的维吾尔族人不断增加，至清末已达万人。阜康、绥来(今玛纳斯)、库尔喀喇乌苏(今乌苏)等地也有不少维吾尔族居民劳动生息。清朝统一新疆后，当时维吾尔族人口不超过30万人。但至1830年前后，南疆的维吾尔族人口达到57万人左右，如加上哈密、吐鲁番、伊犁和其他地区的维吾尔族人口可达65万左右。至清末，维吾尔族人口则达到了157万多人，占到了全疆总人口的四分之三，是新疆的主体民族。
哈萨克族。1755年，清朝政府进军伊犁，中玉兹阿布赍汗派博洛布拜随清朝使臣至伊犁清军营地，建立联系。1757年，阿布勒比斯代表阿布赍汗要求归属清朝。1758年，大玉兹首领阿比里斯等亲赴清军军营表示“我右哈萨克久欲归诚”。大、中玉兹哈萨克臣属清朝以后，其首领不断向清朝政府入觐、进贡，并接受清朝政府赐官封爵。清朝政府视其为“外藩”，严格划定了大、中玉兹哈萨克与清朝西部边界的界线，并不准越界游牧。但是沙俄不断蚕食哈萨克草原，不少哈萨克人被迫南下，越过边界，进入伊犁、塔尔巴哈台境内。清朝政府不得不改变政策，准许哈萨克部落在冬季可越过阿亚古斯河进入塔尔巴哈台境内游牧，但要按牲畜头数上缴租税，春天仍令出界。此后，哈萨克部落蜂拥而至，整个伊犁地区，包括伊犁河流域、七河地区在内的边界，也一律准许哈萨克入内游牧。
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