唐代后期，伊犁地方的主体民族为突厥旧属葛逻禄部，葛逻禄与回纥、牙格马部联合建立了喀喇汗王朝，它的首领认为自己是中国人，自称“桃花石汗”，是中国历史上个信奉伊斯兰教的地方政权。
1124年，东北契丹贵族耶律大石率部万里西迁至西域。1131年契丹灭喀喇。伊犁的葛罗禄部即臣服于西辽王朝。在这一时期，伊犁著名的古城——阿里马城、赤木儿城兴建，并发展成为丝路北道上的重镇。
13世纪初，成吉思汗统一漠北草原诸部落，建立蒙古帝国，后又向西进军，开始征服西域。1211年，伊犁河流域的葛逻禄部投附成吉思汗，大大动摇了西辽的统治。1219年，成吉思汗亲率大军，经伊犁河谷，出征中亚，成吉思汗征服西域和中亚广大地区后，将伊犁等广阔土地分封给他的二儿子察合台，史称察合台汗国。
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