公元前140年，漢武帝即位，此時的漢朝經過六七十年的休養生息，已具備了反擊匈奴的強大實力，于是在漢武帝即位后，對匈奴發動了一系列戰爭。其中元朔二年(公元前127年)、元狩二年(公元前121年)、元狩四年(公元前119年)三次大勝后，匈奴右部王的活動中心已遷至天山東部一帶。

公元前138年和119年張騫的兩次通使西域，其主要目的是聯系西域的一些勢力抗擊匈奴。雖然其目的沒有達到，但卻一方面使漢朝對西域的了解更為深入，另一方面擴大了漢朝在西域各地的影響，從而為漢朝擊敗匈奴在西域的勢力，并最終統一西域奠定了基礎。漢朝勢力最初進入西域后，雖然也沒有足夠的實力來掌控西域，但由于漢朝政府有著較為成熟的統治理念。在統治方式上，注重政權機構的建設，將內地的政治、經濟、軍事、文化制度等，變通地實施于邊疆地區，打破了西域地區“無所統一”政治格局，從而把西域諸國有機地納入漢王朝的政治統治體系之內。同時，漢朝發達的經濟，也對西域產生了重要影響，內地與西域經濟的互補與交流，最終導致西域的經濟與內地的經濟形成了密不可分的有機整體，因此，漢朝在西域的統治一旦確立，就相對比匈奴在西域的統治更為穩固。

公元前108年，應烏孫昆莫(王)之請，漢武帝將宗室江都王劉建之女細君公主嫁與烏孫昆莫，幾年后，細君公主去世，漢武帝又于公元前104年將另一位宗室之女解憂公主嫁給烏孫昆莫。漢朝與烏孫的關系愈益密切。張騫通西域之后，漢王朝派往西域各地的使者和西域各國派往漢朝的使者絡繹不絕，各族商人也頻繁地往來于內地和西域之間。在當時人煙稀少、道路艱險的情況下，為了保障這條溝通東西方的絲綢之路的安全暢通，漢朝政府于公元前101年設置使者校尉，率士卒數百人在輪臺、渠犁一帶屯田積谷，以供應出使西域的使者。使者校尉是漢朝政府派駐西域的第一個官員。

公元前68年，漢朝政府派侍郎鄭吉率兵在車師(今吐魯番盆地)屯田。并命鄭吉護鄯善(今羅布泊一帶)以西南道，即統管天山以南各地。不久以后，匈奴發生內亂，理應繼承單于位的日逐王先賢撣被人篡權后又遭排擠，于神爵二年(前60年)秋率萬余眾投附漢王朝，漢派遣鄭吉迎接日逐王，并封其為歸德侯。匈奴勢力退出西域，匈奴的“僮仆都尉”自此而罷，自樓蘭經車師前部的西域北道得以暢通。公元前60年，為了管理統一后的西域，西漢在烏壘城(今輪臺縣境內)建立西域都護府，正式在西域設官、駐軍、推行政令，開始行使國家主權，這就是《漢書·鄭吉傳》中所稱的“漢之號令班西域矣！”西域從此成為我國領土不可分割的一部分。

漢宣帝任命鄭吉為第一任西域都護。西域都護是漢王朝中央政府派遣管理西域的最高軍政長官。其級別相當于郡太守，每年的俸祿是二千石糧食。其屬官有副校尉、丞各一人;司馬、侯、千人各二人。都護的職責是統轄西域諸國，管理屯田，頒行朝廷號令，諸國有亂，得發兵征討。自鄭吉為西域都護至西漢末，前后任西域都護者18人，姓名見于史冊的有10人，除鄭吉外，還有韓宣、甘延壽、段會宗、廉褒、韓立、郭舜、孫建、但欽、李崇等。

公元前48年西漢政府在車師置戊己校尉，其基本職責是屯田積谷。戊己校尉受西域都護節制。西域都護所轄西域各國的國王及主要官員，由漢王朝賜予印綬。據《漢書·西域傳》載，西域都護統轄西域諸國有48國，“自譯長、城長、君、監、吏、大祿、百工、千長、都尉、且渠、當戶、將、相至侯、王，皆佩漢印綬”共376人。考古工作者曾在今阿克蘇地區的古城中發掘出一枚西漢時期曾任西域都護的李崇的印，還發現一枚“漢歸義羌長”銅印，即漢朝頒授西域首領的官印。這些都反映了西漢在西域設官置守、任命各級官員的情況。

中國漢代西域最高軍政長官，始設置于公元前1世紀。西漢時都護為加于其他官號上職稱，多以騎都尉領其職、秩比二千石;東漢時期為單任官職。時期西漢時，都護治烏壘城(今新疆輪臺東北)，和渠犁田官相近，屯田都尉屬都護，都護開幕府。都護職在統領大宛(今中亞費爾干納盆地)及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。到新莽末年(公元23年左右)，西域亂、都護李崇沒于龜茲、遂罷都護。東漢光武帝建武21年(公元45年)、西域18國請復置都護、光武帝不許。明帝永平17年(公元74年)，始以陳睦當都護。次年，焉耆、龜茲叛，共攻殺陳睦，遂罷都護。和帝永元三年(公元91年)，將兵長史班超平定西域，遂以班超為都護，駐龜茲境它乾城( 今新疆庫車附近 ，其址未詳 )。14年，班超還洛陽 ，繼任者有任尚和段禧 。安帝永初元年安帝永初元年( 107 )，西域亂、征禧還、自此不復置都護 。至延光2年(123)、以班勇為西域長史、復平西域、遂以長史行都護之職。

西域都護是漢代西域官階最高的官職。在西漢，都護是加在其他官號上的職稱，普遍由騎都尉兼領，領二千石俸;東漢年間為單任官職。

姓名見于史冊的有十人。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(公元23年左右)，西域亂，李崇沒于龜茲，遂罷都護。東漢光武帝建武二十一(公元45)，西域十八國請復置都護，光武帝不許。明帝永平十七年(公元74)，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(公元91)，將兵長史班超平定西域，遂以班超為都護，駐龜茲境它乾城(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(107)，西域亂，征禧還，自此不復置都護。至延光二年(123)，以班勇為西域長史，復平西域，遂以長史行都護之職。

西域都護府的設立，標志著西域正式納入漢朝的版圖，中央政權在這里開始行使主權。西漢政府在西域設立行政管理機構、任命官員，派兵駐守并屯田，統計當地戶口，推行漢朝的政令等等，都是國家行使主權的重要內容，它由此奠定此后歷代中央政權管理西域的基礎。西域都護府的設立，打破了西域各地小國林立、互不往來的隔離狀態，造就了在中央政府的統一管理之下，西域各地相互交流的日益增多，增進了西域諸城邦國、各民族間的相互了解與信任，同時也增進了西域與內地的密切聯系，增強了西域各地對中央政權的認同。西漢末年至東漢初年，西域局勢發生動蕩，但西域一些小國仍派人至中原，請求中央政府派遣西域都護，反映了西域諸國對中央政權的信賴與對中央政權的忠誠。甚至在東漢滅亡以后，魏晉南北朝時期，西域許多城邦國仍保留著漢朝頒發的印信。

由于漢朝擁有發達的農業、手工業和商業，因而在統一西域后，這對西域經濟與社會的發展產生了重要影響。中原地區先進的生產技術、生產經驗及熟練的勞動人手，都給西域地區帶來了新的因素，從而促進了西域本地經濟的發展。西域與中原地區的經濟也有著很強的互補性，西域都護府的設立，更是保證了絲綢之路的暢通無阻，它使西域與中原的經濟之間產生了持久而良性的互動，從而使西域地區的區域經濟納入到整個漢朝的經濟體系之中。

隨著西域都護府的建立，西域與中原地區的文化交流也日益增多，中原地區的文化制度對西域產生了很大影響，如龜茲王絳賓從中原返回龜茲后，將中原的禮儀制度帶回龜茲并加以實施。而西域地區的音樂、舞蹈也傳入內地，從而豐富了中華文化的內涵。