元太祖四年（1209年），高昌回鹘杀西辽派驻高昌回鹘国的“国监”，归附蒙古。高昌回鹘王国称为畏兀儿王国，保留亦都护王治。元太祖二十年（1225年），成吉思汗分封诸子，高昌亦都护保持原辖地。元至元十一年（1274年），元朝于畏兀儿地置断事官。1275年，察合台汗国汗都哇与海都联兵反元，率兵十二万，围攻火州（高昌故城）长达六个月。畏兀儿亦都护火赤哈儿的斤将其女送于都哇，叛军解围而去。之后，都哇又围攻火州。火州陷落。火赤哈儿的斤退守哈密力，哈密随之攻陷。火赤哈儿的斤战死，其子纽林的斤率部东奔甘肃永昌。高昌回鹘王国名存实亡。元至元十五年（1278年），元在畏兀地初设提刑按察司，1281年撤销。元至元十七年（1280年），置交钞提举司，专理至元钞发行和管理。元至元二十年（1283年），设火州宣慰司，掌管军民事务。元大德三至六年（1299-1302年），都哇控制了火州。元大德十年（1306年），海都之子察八儿向元朝投降，叛乱告终。火州归元朝直接管辖。至顺元年（1330年），元朝复立总管府于火州。元末，吐鲁番分为柳城、火州、吐鲁番三部，皆设万户府达鲁花赤，吐鲁番地名次出现。元至正七年（1347年），东察合台汗国攻占吐鲁番、火州、柳城。吐鲁番、火州、柳城臣属东察合台汗国，并朝贡于明王朝。
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