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。