公元前60年，为了管理统一后的西域，西汉在乌垒城（今轮台县境内）建立西域都护府，正式在西域设官、驻军、推行政令，开始行使国家主权，这就是《汉书·郑吉传》中所称的“汉之号令班西域矣！”西域从此成为我国领土不可分割的一部分。
汉宣帝任命郑吉为第一任西域都护。西域都护是汉王朝中央政府派遣管理西域的最高军政长官。其级别相当于郡太守，每年的俸禄是二千石粮食。其属官有副校尉、丞各一人；司马、侯、千人各二人。都护的职责是统辖西域诸国，管理屯田，颁行朝廷号令，诸国有乱，得发兵征讨。自郑吉为西域都护至西汉末，前后任西域都护者18人，姓名见于史册的有10人，除郑吉外，还有韩宣、甘延寿、段会宗、廉褒、韩立、郭舜、孙建、但钦、李崇等。
公元前48年西汉政府在车师置戊己校尉，其基本职责是屯田积谷。戊己校尉受西域都护节制。西域都护所辖西域各国的国王及主要官员，由汉王朝赐予印绶。据《汉书·西域传》载，西域都护统辖西域诸国有48国，“自译长、城长、君、监、吏、大禄、百工、千长、都尉、且渠、当户、将、相至侯、王，皆佩汉印绶”共376人。考古工作者曾在今阿克苏地区的古城中发掘出一枚西汉时期曾任西域都护的李崇的印，还发现一枚“汉归义羌长”铜印，即汉朝颁授西域首领的官印。这些都反映了西汉在西域设官置守、任命各级官员的情况。
汉朝与匈奴在西域的争霸中，汉武帝对西域发动了几次军事行动，最大的一次出动了十几万兵力、十几万头牲口和十几万民工，征服了大宛。
西域都护府的辖境包括自玉门关、阳关以西的天山南北，直到今巴尔喀什湖、费尔干纳盆地和帕米尔高原以内的范围，初期有三十六国，以后增加到五十国，治所设在乌垒城（今新疆轮台县东野云沟附近）。
西域都护府既是汉朝的军事驻防区，也是一个特殊的行政区。一方面它与内地的正式政区不同，不设置郡、县，依然保留原来的国，汉朝一般不干预它们的内部事务，但掌握它们的兵力和人口等基本状况；
另一方面，都护代表朝廷掌管这些国家的外交和军事权，可以调动它们的军队，决定它们的对外态度，必要时还可直接废立他们的君主，甚至取消某一个国。正因为如此，西域都护府也是汉朝疆域的一部分。西域都护的设置，使西域正式成为了汉朝版图。这是一个具有重大历史意义的事件。
