西汉王朝与匈奴对“姑师”展开了长期的反复争夺。汉武帝元封三年（前108年），汉遣将军赵破奴及王恢率骑数万克楼兰，破姑师。姑师改称车师，臣属于西汉王朝。车师以博格达山南北形成车师国。不久，匈奴又控制了车师。汉武帝天汉三年（前99年），汉以匈奴降将介和王成娩为开陵侯，率楼兰国兵击车师，匈奴遣右贤王率数万骑救援，汉兵败归。汉征和四年（前89年），汉又派开陵侯率楼兰等六国兵共围车师，车师王投降汉朝。汉昭帝元平元年（前74年），匈奴重新占领车师，派四千骑兵在此屯田。汉宣帝本始三年（前71年），汉朝与乌孙联兵从东西夹击匈奴，车师屯田匈奴兵惊惧逃走。车师又属汉。之后车师王与匈奴联姻，汉又失车师。汉宣帝地节二年（前68年），汉侍郎郑吉率兵攻占车师交河城，派驻士兵300人屯田车师。匈奴派兵再次争夺。汉宣帝元康四年（前62年），汉放弃车师。汉宣帝神爵二年（前60年），匈奴内乱，匈奴日逐王率众降汉。车师之地随之归属汉朝。这五次重大的车师之争，史称“五争车师”。西汉在统一西域的同年（前60年），在西域设立都护府，郑吉为首任都护。从此，西域归入汉朝版图。车师归汉后，汉“分以为车师前后王及山北六国”，把原来车师人的领地按地理形势划分为八国，其中车师前国在博格达山南现吐鲁番境内。《汉书、西域传》载“车师前国，王治交河城（今吐鲁番市交河故城），河水分流绕城下，故号交河。去长安长八千一百五十里，户七百，口六千五十，胜兵千八百六十五人”。
到东汉光武帝建武元年（25年）车师前国已全部吞并了吐鲁番境内诸国，交河城成为吐鲁番第一个政治、经济、文化中心。汉元帝初元元年（前48年），汉朝在车师前国设置戊已校尉，驻交河城，掌管西域屯田事务。汉咸帝阳朔四年（前21年），戊已校尉移驻高昌壁（今吐鲁番市高昌故城）。
东汉明帝永平十八年（75年）后，匈奴反汉围攻车师，匈奴与汉朝又反复争夺。戊已校尉随之几经撤回、恢复。东汉安帝延光二年（123年），西域长史班勇率兵五百出屯柳中（今鄯善县鲁克沁），攻克车师。124年，复置戊已校尉。
晋朝，车师前国归晋，晋朝戊已校尉仍设在高昌。西晋灭亡后，凉州（今甘肃武威）形成了张氏割据政权东晋咸和二年（327年），前凉王张骏攻占高昌，擒获叛将戊已校尉赵贞，始置高昌郡，立田地县。隶属沙州（今甘肃敦煌）。
东晋太元元年（376年），前秦符坚灭前凉。高昌郡属前秦、隶属凉州。东晋太元十年（386年），奉命西讨龟兹（今库车）的前秦大将吕光入破伊吾关、攻占凉州，建后凉。高昌、车师前国属后凉。公元394年，吕光遣其子吕覆为西域大都护、镇守高昌。东晋安帝隆安一年（397年），沮渠男成推后凉建康（今甘肃酒泉西南）太守段业为大都督，凉州牧，建康公，改元神玺，占据高昌。东晋隆安四年（400年），李高建立西凉，在高昌设郡。车师前国臣属西凉。东晋义熙八年（412年），沮渠蒙逊建立北凉。
公元420年，北凉主沮渠蒙逊攻灭西凉，高昌易主北凉，车师前国向其称臣。北魏太延五年（439年），北魏灭北凉，阚爽自立为高昌太守。北凉残部西奔鄯善（今若羌县境）。
北魏太平真君三年（442年），北凉残部在沮渠无讳的率领下，攻占高昌，于翌年改元承平，号凉王。并西攻车师前国。北魏太平真君十一年（450年），车师前部王伊洛随魏军西征，留子歇守国。沮渠安周与柔然联兵围攻车师前国交河城，车师兵败，西奔焉耆，车师前国亡。北魏和平元年（460年），柔然灭高昌，册立阚伯周为高昌王，高昌城为国都，建立了一个汉族地方王朝。高昌城成为吐鲁番的政治、经济、文化中心。
从阚伯周开始，吐鲁番进入高昌王国时期。魏文帝太和五年（481年），高车首领阿伏至罗立张孟明为高昌王。公元496年，高昌人杀张孟明，另立马儒为王。公元501年，马儒内徙，高昌旧人恋土，不愿东归，遂杀马儒而立麴嘉为王。麴氏高昌王国，曾先后依附于柔然、高车、突厥，臣服于北魏、西魏、周和隋，并受其册封。王国建置为郡，县、城制，县下设乡，乡下设里。
唐灭高昌时，高昌王国有交河、田地、南平3郡；白苏、永安、无半、盐城、柳婆、始昌、林、新兴、龙泉、安昌、酒泉、威神、横截14县；高宁、临川、宁戎、永昌、诸城、笃进、东镇7城。唐贞观十三年（639年）高昌叛唐，投西突厥，阻断西域通道。唐贞观十四年（640年）唐灭高昌，高昌王国结束了180年的历史。公元640年，唐派吏部尚书候君集为交河道行军大总管率师伐高昌。平定高昌后，设西昌州，改为西州，行县（乡）、里制，下辖五县。高昌县、柳中县、交河县、天山县（今托克逊县境内）、蒲昌县（今鄯善县境内）。唐置西州的同年，设安西大都护府于交河城，以乔师望为首任安西都护兼西州刺史。安西大都护府领辖22个都督府，118个州。唐贞观二十二