5世纪中叶以后,在准噶尔盆地东部出现了一个以阿史那氏为核心的铁勒部落,被称为“突厥”。公元552年阿史那氏建立了囊括整个蒙古草原和准噶尔盆地的突厥汗国,回纥和其他铁勒部落成为它的属部。突厥贵族对广大铁勒部落残酷的统治激起了各铁勒部落的反抗。在反抗突厥汗国的斗争中,回纥部周围聚集了越来越多的铁勒部落,力量逐渐强大,与突厥贵族相抗衡。744年,以骨力裴罗为领袖的回纥联盟在唐朝大军的配合下,推翻了突厥汗国,并建立起漠北回纥汗国。回纥汗国的疆域包括贝加尔湖以南,阴山以北,兴安岭以西和阿尔泰山以东的蒙古草原地区。此后,在汗国存在的近百年中,草原上的各游牧部落以回纥部为核心,逐渐融合团聚为一个统一的回纥族,诸部落原有的名称从此基本消失而统称"回纥"。从那时起,"回纥"名称的内涵也就发生了变化,它不再单纯地指一个原始部落,而已经成为一个包括了草原上各游牧部落的古代民族的名称。回纥汗国是唐朝的属国,历代可汗都接受唐朝的册封。有三位唐朝公主嫁给了回纥可汗,因此,历代回纥可汗都认唐朝为母家,称中原皇帝为舅。这种甥舅的关系一直持续了几百年。同时,回纥贵族亦有将女儿嫁与唐朝亲王为妃者。当时,中原汉人迁居到草原的也多了起来,他们大多融入回纥人中。
回纥汗国与唐朝的经济关系十分密切,最突出的是马绢贸易。回纥汗国在其存在的近百年期间向唐朝倾销了上百万匹马,换回的丝绸大约在2000万匹以上。这些丝绸大多被贩运到了罗马、波斯和印度等地。当时,中国丝绸在东罗马的价格与黄金相当,即一两黄金一两丝绸。回纥汗国通过马绢贸易获得了巨额的财富,经济和文化迅速发展(杨圣敏《论回纥汗国与唐朝的关系》,载《中亚学刊》第四辑,北京大学出版社1995年版)。
回纥人使用突厥卢尼文,有些回纥人懂汉文,有的还能用汉文写诗。和蒙古草原上的其他游牧民族一样,回纥人信仰萨满教,8世纪初摩尼教传入蒙古草原,公元762年,牟羽可汗立摩尼教为国教。839年,漠北草原上"连年饥疫,又大雪为灾"(《唐会要》卷98),汗国内部发生内讧,北方黠戛斯人乘机夹击,840年回纥汗国崩溃。草原上的回纥人在各部贵族的率领下四散迁走。其中一支约10万人向南,到达阴山以南的长城沿线游牧,到848年这部分人完全溃散,其中大部分进入中原,融合进了汉人之中。另外三支回纥向西迁徙,分别到达葱岭西的楚河流域、准噶尔盆地东部和河西走廊的张掖地区。在河西走廊的回纥人与其他民族融合,后来形成了今天的裕固族。到达准噶尔盆地东部的回纥人以北庭(今新疆吉木萨尔县)和高昌(今吐鲁番)为中心建立高昌回纥汗国。葱岭西的回纥人与当地的葛逻禄等部落共同建立了喀喇(黑)汗国。这两个汗国建立以后,分别从东西两个方向向塔里木盆地扩张。一个个绿洲国被相继征服,只有土着人的于阗国还维持着原来的政权。
9世纪中叶以前,新疆南北的语言文字和人种都有明显的差别。在北疆游牧的多为操突厥语的铁勒部落,他们是6世纪中叶所建突厥汗国的遗民,并且从那时候就开始了在北疆的突厥语化过程。根据当时的石雕、壁画和文献资料可以看出,他们都属于宽脸、细眼、鼻子较矮而又少胡须的蒙古人种。而当时南疆的居民则多表现为"高鼻深目"、多胡须的欧罗巴人种特征(耿世民:《试论塔里木盆地民族的融合和近代维吾尔族的形成》,载《新疆历史论文续集》,新疆人民出版社1982年版)。南疆各绿洲的语言文字也不统一,据德国古文字专家的研究,共有7种语言24种文字,大都属于印欧语系。其中最主要的是两种塞语:焉耆-龟兹语,在焉耆、库车和吐鲁番一带使用;于阗语,在和田、喀什和巴楚一带使用。而东疆则受到较浓厚的汉文化的影响。
10世纪中叶以前,新疆的居民多信仰佛教、摩尼教和萨满教。公元943年,喀喇汗国的沙土克·布格拉汗皈依伊斯兰教。公元960年,喀喇汗国的20万帐突厥人和回纥人皈依伊斯兰教,就在这一年,阿斯兰汗确定伊斯兰教为国教。从此,喀喇汗国以"圣战"为旗帜,向东方信仰佛教的高昌回纥和于阗国发动连年进攻。1006年,南疆最后一个土着人的政权于阗国战败灭亡,在塔里木盆地只剩下回纥人的两个汗国东西对峙,这标志着回纥人已成为塔里木盆地的统治民族。从此以后,土着人的语言和文字逐渐消失,南疆的突厥语化过程基本完成。由于两个回纥汗国宗教信仰根本对立,并且宗教教义已渗透到各自的社会生活、文化的各个方面。高昌汗国境内佛教寺院遍布,通行回鹘文;而喀喇汗国到处是清真寺,使用阿拉伯文拼写的突厥语。他们互相视为异教徒,人民之间在心理上有很强的对立情绪,经常发生宗教战争。因此这两部分回纥人并不具备形成一个统一民族的条件。