唐亡后，直到西辽建立，新疆出现喀喇汗王朝、于阗李氏王朝、高昌回鹘王国等政权。

公元907年，唐朝灭亡，我国内地先是五代十国争强，接着又是宋、辽、金对峙。在这一时期，新疆地区也出现了三个地方政权，即喀喇汗王朝，于阗李氏王朝和高昌回鹘政权。

9世纪末到13世纪初由操突厥语族语言的诸民族建立的一个地方政权。它以喀什噶尔和巴拉沙衮(在今吉尔吉斯斯坦之托克马克)为中心，辖有塔里木盆地西部和部分中亚地区。喀喇汗王朝的首领多冠以“桃花石汗”(当时西域及其以西诸国对中国的通称)的称号，并把其所辖地区称为“下秦”，即中国的一部分。

9世纪中叶，于阗摆脱吐蕃统治，恢复了尉迟家族在该地区的统治。912年，尉迟僧乌波为于阗王，“自称唐之宗属”，随以唐朝国姓李氏为姓，名“圣天”，故后人称于阗政权为“于阗李氏王朝”。938年，李圣天主动遣使中原，后晋王朝册封他为“大宝于阗国王”，并派册礼使张匡邺、高居诲出使于阗。于阗李氏王朝沿用唐朝旧制，历代国王都依照中原传统设立年号，官制和赋税制度也多借鉴唐朝的有关制度。唐朝时期，曾经在于阗设立了10个羁縻州，五代、北宋时期，于阗国仍然保留着这些行政建置。

高昌回鹘，也称“西州回鹘”，因其政权首府设在汉之高昌壁，即唐代的西州而得名。高昌回鹘是840年漠北回鹘汗国灭亡以后，西迁至今吐鲁番盆地会合后的一支。他们初居北庭(即唐之北庭，今吉木萨尔)，后移都喀喇和卓。高昌回鹘王国辖境以吐鲁番盆地为中心，东至哈密，西抵库车，南界于阗，北越天山达准噶尔盆地南缘。高昌回鹘王国与中原王朝交往频繁。951年，高昌回鹘王国遣使中原，与后周建立了联系。962年，在得知宋朝建立的消息后，高昌回鹘遣使入宋。981年，“其王始称西州外生(甥)师子王阿厮兰汉，遣都督麦索温来献”。回鹘并始，用甥舅关系表达过去与中央政权(唐朝)的亲厚之情，以加强与宋朝的联系。作为回应，宋朝派遣王延德出使高昌。

辽被金灭亡以后，王族耶律大石率众西迁，于1132年在叶密立(今新疆额敏县)建立西辽政权。两年后，他又乘东喀喇汗王朝内部动乱之机，和平进驻巴拉沙衮，并逐步将新疆以及中亚阿姆河、锡尔河流域，直至咸海一带置于自己的统治之下。根据文献记载，西辽的官制体系沿用了辽朝的北、南两部制。北面官署治理契丹和近族等游牧民，南面官署治理直辖地境内农业城郭的定居居民。西辽入主中亚，使西域出现了汉文化西渐的又一次高潮。西辽皇帝的诏令，官方的公文、文牒多用汉文书写，西辽发行的钱币形制也与中国传统钱币完全相同。