2月，近800名沙俄暴徒扑向雅尔噶图金矿，惨杀民众200余名。侵略者的暴行激怒了塔城各族人民，他们决心为维护祖国的主权而斗争，为死难的同胞报仇雪恨。雅尔噶图金矿的矿工们自动组织起来，推选出安玉贤、徐天尧等为领头人，与侵略者斗争。但矿工们的正义斗争不仅受到侵略者的镇压，还受到清朝官员萨碧屯之流的刁难。
1855年6月，塔城各族人民在徐天尧、安玉贤等人的统领下，聚集到沙俄贸易圈附近，向沙俄示威，抗议暴徒残酷杀害中国人民，要求交出杀人凶手。沙俄侵略者一个个躲到贸易圈内不敢出来与示威群众见面。此时此刻，清朝官员又一次充当了侵略者的帮凶，他们派兵驱散了示威的群众。8月26日，塔城各族人民又汇聚在二起，五六百人共同声讨侵略者的滔天罪行，他们再次聚集在沙俄贸易圈周围。夜晚四更时分，安玉贤等人用苇子将草堆点燃，风助火势，越烧越旺，贸易圈内的房屋、存货均被烈火吞没。沙俄头目塔塔林诺夫及其同伙吓得魂不附体，狼狈逃窜，犹如丧家之犬，逃回巴克图。这就是新疆近代史上充分展现中华民族英雄气概的火烧沙俄塔城贸易圈的壮举。这次斗争，为新疆近代史写下了极其光辉的一页，它沉重打击了沙俄侵略者的嚣张气焰，大长了中国人民的志气。
13世纪初，铁木真统一大漠南北蒙古各部，被举为大汗，称成吉思汗，建立蒙古汗国。成吉思汗在完成蒙古地区统一以后，便向西发展，逐步占领今新疆及与其相邻的中亚地区。
1207年，成吉思汗任命使臣到谦河(今叶尼塞河下游)一带招抚了乞儿吉思部，接着又命其长子术赤率军征讨“林木中百姓”，活动于谦河一带的斡亦刺部、秃巴思部，以及活动于贝加尔湖周围的不里牙惕、巴尔忽等部，均归附蒙古大汗。于是，蒙古的西南部开始与高昌回鹘王国边界接壤。1211年，高昌回鹘亦都护巴尔术阿尔忒的斤朝觐成吉思汗。成吉思汗将亲生女阿勒可敦许配给这位亦都护。巴尔术阿尔忒的斤亦率所属万人随成吉思汗西征。从此，高昌回鹘王国成为蒙古帝国的属部。1217年，成吉思汗令速不台、哲别各率军两万，征讨屈出律。蒙古军队利用屈出律同各个阶层及各族人民的矛盾，迅速取得胜利，进围西辽都城虎思斡耳朵。屈出律弃城南逃，最终在瓦罕走廊东部山区被杀，西辽灭亡，属地尽入蒙古。至此，蒙古政权将其统治区域从蒙古草原扩大到了今新疆和巴尔喀什湖以东以南的广大地区。成吉思汗西征历时七年，蒙古骑兵驰骋于中亚、西南亚的东部及里海周围的欧洲地区，花刺子模王国被彻底消灭，成吉思汗成为东起蒙古草原、西达第聂伯河这一广袤土地的统治者。
1225年，成吉思汗将其西征所得土地分授给三个儿子统辖：长子术赤统辖宽田吉思海(今里海)以北及原花刺子模王国的领土；次子察合台统辖东至伊犁河流域，包括焉耆以西地区，西至阿姆河流域的土地；三子窝阔台统辖准噶尔盆地北部，包括今塔城、阿勒泰地区和蒙古的西部。由于高昌亦都护最先降附蒙古，因此受到特别优待，允许保留自己的领地。1227年，成吉思汗死，窝阔台及其子贵由先后继任为大汗。1251年，蒙哥被推举为大汗。蒙哥汗在西域设立了别失八里和阿姆河等处行尚书省，以加强行政管理。他任命亲信纳怀、塔刺海、麻速忽(即马思忽惕)等为别失八里等处行尚书省事，以管辖今新疆及巴尔喀什湖以东以南的广大地区；任命阿儿浑为阿姆河等处行尚书省事，以管辖河中地区，还任命维吾尔人帖哥术探花爱忽赤管辖哈密、库车等地。1260年，忽必烈在开平(今内蒙古多伦北)被推举为大汗。当时，其弟阿里不哥驻守和林，也自称大汗。兄弟之间为争夺汗位而展开激烈的斗争，也影响到新疆和中亚地区，双方都欲借助察合台汗国控制的土地和人口取得优势。1264年，忽必烈降服阿里不哥。1279年灭南宋，元朝，统一了全国。
忽必烈采取措施对西北诸王加强控制，他诏令窝阔台后裔海都入觐，把察合台后裔八刺派往察合台领地，控制当地形势。海都拒不入朝，并于1269年在塔拉斯河谷召集西北蒙古诸王大会，以保持游牧生活与蒙古习俗为口号，反对忽必烈。他们南侵畏兀儿之地，甚至越过阿尔泰山向东侵犯哈喇和林。忽必烈为防御海都叛军，于
1267年命皇子那木罕统军镇守阿力麻里，命綦公直驻守别失八里。1281年，改畏吾断事官为北庭都护府，在别失八里、火州(和州)、兀丹(和阗)等地设宣慰司。1295年，元朝政府又设立北庭都元帅府、曲先塔林都元帅府，以加强对新疆地区的管理。
蒙古的西下及其对西域和中亚等地区的统治，导致了这一时期的民族大迁徙和大融合。成吉思汗西征时，其军队中有大量征发来的女真人、契丹人、汉人、畏兀儿人和西夏人，其中不少成为驻守当地的军官和政府官吏。为防御西北诸王的反叛和解决驻军后勤供应问题，元世祖忽必烈灭宋以后，把大量的汉军、新附军和农民、工匠征发到西北，在别失八里、斡端(今和田)、哈迷里(今哈密)屯田，并置冶场，鼓铸农具、兵器等。在民族迁徙中，不仅有从蒙古草原和中原等地区迁往新疆和中亚地区的各族移民，而且有不少新疆和中亚地区的