明朝末年，蒙古分為漠南蒙古、漠北喀爾喀蒙古、漠西厄魯特蒙古三大部。到了清朝初年，漠南蒙古與漠北蒙古先後歸附清政府，與清朝建立了朝貢關係，分別被稱為內蒙古與外蒙古。
當時佔據了阿爾泰山以西的厄魯特蒙古分為互不統屬的四個衛拉特（部）：額爾齊斯河流域的杜爾伯特部、塔爾巴哈台附近的土爾扈特部、烏魯木齊的和碩特部及伊犁河流域的準噶爾部。
在這四部中，準噶爾部實力最強。康熙十六年（1677年），準噶爾汗噶爾丹統一了四部，佔據了新疆北部。然後他又率軍向南越過天山，控制了南疆的回部，把天山南北都掌握在自己的手中，形成了一個強大的割據勢力。
噶爾丹為了進一步擴展自己的地盤，又帶兵向漠北喀爾喀蒙古發動了進攻。佔領漠北後，他又在沙俄的支持下繼續向漠南進軍。康熙二十九年（1690年），噶爾丹以追擊喀爾喀為名攻入漠南蒙古，最後到達烏蘭布通（今內蒙古赤峰附近）。
噶爾丹這些內犯的軍事舉動，迫使康熙皇帝決定親征，先後在康熙二十九年（1690年）與三十五年（1696年），兩次率軍在烏蘭布通及昭莫多大敗噶爾丹的軍隊。康熙三十六年（1697年），康熙皇帝第三次親徵到寧夏指揮追殲噶爾丹。噶爾丹在清軍的包圍下，走投無路，最後只得服毒自殺。
噶爾丹死後，他的侄子策妄阿拉布坦自立為準噶爾汗，他又起兵擴展地盤，與清政府對抗。雍正五年（1727年），策妄阿拉布坦死，他的兒子噶爾丹策零繼位，又不斷侵擾哈密、喀爾喀蒙古等地。清軍雖多次出兵，但一直沒有能夠徹底平定。乾隆十年（1745年）噶爾丹策零死後，準噶爾部發生內亂，勢力逐漸轉落。
清政府在乾隆二十年到二十四年間（1755～1759年），出兵平定了天山北路的準噶爾貴族和天山南路的回部（即維吾爾族聚居地區）大小和卓木的叛亂，統一了天山南北，改西域為新疆，從此結束了長期分裂割據的局面。
清政府在新疆實行軍民分治。乾隆二十七年（1762年）正式設立總統伊犁等處的伊犁將軍，為統治新疆全境的最高官員，統轄天山南北準噶爾部與回部各新疆地方駐防官兵的軍政與戍務。位於天山西段伊犁河北岸的伊犁惠遠城（今霍城南），成為伊犁將軍的首府。另外，還在伊犁、塔爾巴哈台（今新疆塔城）、喀什噶爾（今新疆喀什市）三地設立參贊大臣，烏魯木齊設都統，哈密等七處設辦事大臣，庫爾喀喇烏蘇等五處設領隊大臣，都歸伊犁將軍所屬，以便進行有效的管轄。這是清政府在新疆所實行的軍治。
清政府對新疆各族人民所實行的民治，因其傳統的不同，而採用了不同的辦法。天山北路，在巴里坤設立鎮西府，在烏魯木齊設立迪化直隸州，隸屬於甘肅省。在天山南路，對回部依舊實行原有的伯克制度，但是廢除了伯克的世襲。伯克就是官員的意思，最高的稱阿奇木伯克，其下有伊什罕伯克（管贊理回務）、噶雜拉齊伯克（管田畝糧賦）、商伯克（管徵收稅賦）等多種不同稱號的伯克。乾隆三十六年（1771年），生活在俄國伏爾加河流域的蒙古土爾扈特部牧民還牧伊犁，清政府又根據他們的具體情況，仿照內、外蒙古的制度，在他們的居住區實行扎薩克（蒙古各旗的長官）制，進行管理。
清朝正式設立伊犁將軍後，為了加強鞏固新疆的統治，又實行移民實邊的政策，先後從內地與南疆遷移了大批兵民到伊犁地區屯田游牧。主要有以下的幾次遷移行動：
從張家口外遷一千八百名察哈爾眷兵（可攜帶家屬的駐防兵）到伊犁西北博羅塔拉河及賽里木湖一帶駐防游牧；從黑龍江遷一千名索倫達斡爾眷兵到伊犁的西奎屯、薩瑪爾、霍爾果斯等河一帶駐防；從熱河（今河北承德）遷五百名達什達瓦厄魯特眷兵到伊犁西南的察林、特克斯河一帶駐防游牧；從盛京（今遼寧瀋陽）遷一千名錫伯眷兵到伊犁河南察布察爾一帶駐防；從西安熱河等處遷六千五百名滿洲眷兵到伊犁河北巴彥岱一帶駐防；從陝西、甘肅遷三千名綠營眷兵到塔勒奇、烏哈爾里克、察罕烏蘇一帶駐防屯田；從南疆各城遷六千維族農民到固爾扎和海弩克一帶居住屯田。
經過以上的遷徙，在伊犁河南北出現了許多村莊，放牧的氈帳也到處可見，從而使這一地區的農業與畜牧業得到了很大的發展。
從乾隆二十六年到四十五年（1761～1780年）近二十年的時間裡，清政府又以惠遠城為中心，建立了綏定城（今霍城縣）、塔勒奇城（今霍城塔爾基）、瞻德城（今霍城縣清水河子）、廣仁城（今霍城縣蘆草溝）、拱宸城（今霍城縣霍城）、惠寧城（今伊寧縣巴彥岱）、熙春城（今伊寧市西北）、寧遠城（今伊寧市）等八個衛星城，在每個衛星城也都設置官員，駐紮軍隊，與惠遠城一起統稱為伊犁九城。
到了19世紀中葉，俄國趁新疆發生內亂之機侵入了新疆。咸豐元年（1851年），俄國取得在伊犁、塔城通商設領事的特權。咸豐十年（1860年），清政府與俄國簽訂的《中俄北京條約》規定，新疆境內的中俄西界，「自沙賓達巴哈起，至齋桑淖爾，又西南至特穆爾圖淖爾，又南至浩罕為界」，這樣就將原來屬於清政府的自巴勒喀什（巴爾喀什）湖東南至特穆爾圖淖爾之間的土地劃歸了俄國。同治三年（1864年），俄國通過《中俄勘分西北界約記》（即《塔城條約》）割佔了巴爾喀什以東以南的廣大領土。伊犁、塔城人民深受沙俄侵略之害。同治九年（1870年），俄國將他們單方面確定的邊界強加給中國，清朝官員只得在俄方界碑的左側另立中方的界碑。但是這一邊界剛剛劃定，俄國又趁侵入新疆天山南北廣大地區的中亞浩罕汗國（在今烏茲別克境內）軍事頭目阿古柏建立「哲德沙爾國」（意即七城國）之機，在同治十年（1871年）佔據了伊犁。
光緒三年（1877年），清政府派陝甘總督左宗棠為欽差大臣，督辦新疆軍務。於是左宗棠出兵新疆，平定了阿古柏的叛亂，收復了除伊犁之外的整個新疆地區。隨後左宗棠要求俄國退出伊犁，但遭到俄國的拒絕。光緒七年（1881年），在俄國的壓力下，兩國簽訂了《中俄伊犁條約》，依據這個不平等條約，雖然俄國歸還了所侵佔的伊犁，但清政府卻不得不割給俄國霍爾果斯河以西的領土，並開放新疆全境。自此，新疆的統治中心從伊犁東移。
左宗棠在出兵收復新疆之前，就曾提出在新疆設省，實行與內地一樣的行政管理的主張。在伊犁收回後，已調任兩江總督的左宗棠還特地提交了一個《新疆行省急宜議設、關外防軍難以遂裁折》，強調新疆建省的重要性。清政府採納了左宗棠關於在新疆設省的奏議，於光緒九年（1883年）設立新疆省。不久，便裁掉此前所設立的駐防大臣、扎薩克和阿奇木伯克，改設府、廳、州、縣，分為四道，六府，二直隸州、八直隸廳、一州、二十一縣。新疆巡撫駐迪化府（今新疆烏魯木齊），仍設伊犁將軍駐惠遠城。民國二年（1913年），伊犁才併入新疆。
新疆省的建立，是歷史發展的必然趨勢，它統一了西陲邊疆與內地的行政建制，取消了對人民遷徙的限制，對維護祖國統一，加強西北邊防，使內地與新疆在政治、經濟、文化方面的聯繫更加密切，促進新疆經濟與文化的發展方面，都具有積極的作用。