东汉初立之时，朝廷内忧外患，尚无余力兼顾西域事务，但随着国力逐渐恢复，东汉与匈奴的争夺西域也逐步展开。公元25年，赤眉军覆灭，汉室由刘邦的九世孙刘秀重振旗鼓，东汉政权随之建立。至公元36年，刘秀扫除群雄，重新统一中原，为国家的统一与稳定奠定了坚实基础。 东汉政权一旦稳固，西域各国便迫切希望得到中原的政治庇护。公元45年，车师（今吐鲁番）前王、鄯善（罗布泊西南）、焉耆等十八国纷纷派王子入洛阳，献上珍宝，哭着喊着表示愿意归属东汉。为何这些孤立于沙漠边缘的绿洲小国会如此渴望依附中原？原因在于西域诸国各自分散，人口稀少，经济依赖绿洲农牧业，缺乏统一能力。任何一个小国都难以独立抵御外敌，因此它们期望有一个强大的势力凌驾其上，协调内部关系、抵御外患。倘若中原无暇顾及，它们只能屈从北方强悍的游牧民族——匈奴。

然而，初立的东汉刚刚完成统一，政局尚不稳固，人口锐减，经济满目疮痍，光武帝刘秀一时心有余而力不足。西域诸国见中原顾此失彼，只得暂时拜匈奴为“大哥”，缴纳保护费，以求自保。半个世纪的励精图治后，东汉政权巩固，经济恢复，社会安定，汉明帝遂决心在西域与匈奴一较高下。 公元一世纪中叶，匈奴内部因连年天灾而分裂为南北两派。连年的干旱导致草枯牛羊饿死，北匈奴被迫南下掠夺边境。公元73年，东汉出兵四路反击北匈奴。此时，假司马班超和郭恂奉命率36人出使西域，配合军事行动，全面推进统一西域的战略。班超初至鄯善，即铲除了匈奴使者，使鄯善归属东汉；随后沿南道抵达于阗（今和田），说服其臣服；再西行至疏勒（今喀什），联合当地人民推翻亲匈奴势力，平定疏勒。

与此同时，东汉政府派窦固、耿秉、刘张等率军自敦煌、昆仑塞（今甘肃安西）进军，在蒲类海（今巴里坤湖）大败匈奴，进而征服车师，使其归附于汉。次年，东汉在车师后部金满城（今吉木萨尔）与车师前部柳中城（今鄯善县西南鲁克沁）驻军，恢复对西域的统治。 北匈奴自分裂后，南匈奴自漠南袭扰北方，东边的乌桓、鲜卑亦频频进犯，使北匈奴不得不将势力中心向西北转移。西域成为北匈奴生死存亡的关键战略地，双方在此展开了激烈争夺。公元75年春，北匈奴单于率两万骑兵进攻车师，杀车师后部王，围攻戊校尉耿恭。同年十一月，又策动焉耆、龟兹攻杀西域都护陈睦，并围攻己校尉关宠。局势危急，刚即位的汉章帝曾考虑让班超返回朝廷暂避锋芒。 然而，疏勒与于阗等地百姓极力挽留班超，担心他离开后，亲匈奴势力卷土重来。班超应民意返回疏勒，击败依附北匈奴的龟兹复辟势力，平定疏勒。公元78年，他率疏勒、康居（今巴尔喀什湖与咸海间）、于阗、拘弥兵攻姑墨（今阿克苏），连战皆捷，并上书汉章帝，主张统一西域。他认为，除龟兹、焉耆外，其他诸国愿归附东汉，且莎车、疏勒土地肥沃，粮草充足，统一西域完全可行。因当时内地尚有烧当羌叛乱，汉章帝仅以徐干为假司马，率一千余人给班超支持。 从公元80年徐干启程起至89年夏，班超依靠当地各族支持，始终控制南道诸国。公元89年起，东汉联合南匈奴三次征讨北匈奴，尤其是91年，左校尉耿夔率军直抵北匈奴单于驻地金微山（今阿尔泰山），大获全胜，迫使北匈奴向西迁移。班超此时积极征发疏勒、于阗军队，平定莎车、击退大月氏进攻，龟兹、姑墨、温宿等地纷纷归汉。十二月，班超任西域都护，驻龟兹；徐干为长史驻疏勒；戊己校尉复驻车师前部高昌壁，东汉再次统一西域。

公元102年，班超因年老返洛阳，其继任者任尚行事专断，引起西域各国不满，106年疏勒诸国起兵攻任尚。东汉政府征发羌兵讨伐，羌族反叛升级，导致内地与西域联系中断，东汉暂时撤销西域都护及戊已校尉驻扎，北匈奴单于趁机复掌新疆。 至公元118年，羌族起义暂告平息，东汉开始重新考虑收复西域。班超之子班勇力排“经营西域无用论”，指出自汉武帝以来，正因控制西域，边境安宁，匈奴远遁。公元123年，班勇任西域长史，率军出屯柳中，至127年平定龟兹、姑墨、温宿、车师等地，基本统一西域。126年，他诛东且弥国王，再率诸国兵追击北匈奴呼衍王，降其二万余人，迫使单于西遁，北匈奴势力遭受沉重打击。137年，敦煌太守裴岑将北匈奴呼衍王彻底击败，历时三百余年的东汉与匈奴在西域的争夺，终于划上句号。北匈奴黯然离开新疆，远赴欧洲，沉寂四百年后，才以“上帝之鞭”阿提拉之名再度震动世界。