汉神爵二年（前60），统治西域的匈奴日逐王先贤掸率部归汉，汉朝政府设西域都护府以统之，从此克孜勒苏即正式划入汉图。
三国时期，州境隶属魏国。西晋时隶于西域长史府，东晋十六国时先后隶于前梁、前秦、后凉、西凉等政权。
南北朝时隶于北朝，设西戎校尉府，疏勒、龟兹（尉头属龟兹）、乌孙（捐毒属乌孙），皆受辖于该校尉。
隋朝统一全国后，隶于隋朝，受西突厥王庭的统治。
唐朝境内各地辖于安西都护府，境内设疏勒都督府（治所在疏勒镇）、蔚头州（治所孤石山）、温肃州（治所大石城）、演渡州（治所去曷饭馆）。今阿合奇分属温肃州、蔚头州；阿图什、阿克陶、乌恰分属疏勒都督府、演渡州。境内各地分属葛逻禄、样磨、处月等部。
北宋、辽时期，境内大部分土地属黑汗（即喀拉汗）王朝，其中东北部少部分地区（今阿合奇）属西州回鹘，南部少部分地区（今阿克陶）属于阗。
公元1210年，喀拉汗王朝为屈出律所灭，州境始属西辽。
1218年，西辽为蒙古所灭，蒙古设断事官对境内实施统治。公元1275年，元在阿里麻力设中书行省，州境即辖于该中书行省，由断事官辖治。1281年元改断事官为都护府，州境即属该都护府管辖。
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