西域归属汉朝统治以后，汉军在这里驻扎屯田，设置机构，做好了长期留守的打算。到了两汉之际，由于政局的改变与动荡，中原对西域的保护变得无力，匈奴乘虚而入，于是有了东汉班超的再通西域。
■西域都护府
张骞出使西域后，汉朝每年都要向西域派遣使团，以求建立外交和通商关系。但这些使团，或受到匈奴的侵扰，或遭受西域小国的劫持，生命和财产安全受到严重威胁。宣帝神爵二年（前60），为了加强对西域的控制，汉朝在西域设置西域都护府，作为汉朝管理西域的最高行政军事机构，以监护西域南、北两道的安全畅通。西域都护相当于内地郡守，下设副校尉、丞、司马等属吏，有统率的军队。郑吉是首任西域都护，他设立幕府，治所在乌垒城（今新疆轮台东），以后成为常制。西域都护府的设立，标志着西域正式归属中央政权，这对于加强汉朝对西域的控制和军事管理，具有重要意义，也有利于对西域屯田的顺利进行和过往商旅的正常往来。
伴随中原王朝的治乱和国力的兴衰，西域或归附汉朝，或臣服于匈奴；与中央政府的联系，或紧或疏，甚至完全断绝。东汉时期，西域都护府或设或撤，最终为西域长史所取代。
■西域屯田
武帝时，为了完成开通西域的大业，在西域地区驻军屯田。但最初的屯田规模较小，仅是为了解决驻军口粮和过往官吏的供给。昭帝时期，在轮台、渠犁地区展开大规模屯田。昭帝元凤四年（前77），汉王朝又应楼兰王的请求，派遣司马1人，吏士40人，屯田伊循（今米兰），中原的农业技术在南道得到推广。牛耕铁犁技术的传入，井渠的开凿，灌溉设施的发展，对于耕地面积有限且水利资源极少的绿洲诸国而言，无疑推动了农业生产大幅度提高。汉代的军事屯田在这个过程中起到了决定性的作用，中原的密集型灌溉农业也因之传到西域。由于农业经济水平的大幅增长，西域绿洲诸国在两汉时代出现了人口爆炸，居民数量平均增长数倍，如于阗人口，《汉书》所记为3300户，而《后汉书》所记则为32000户。不可否认，汉朝在西域的屯田主观上是为了解决驻防部队的给养，从而加强对西域诸国的有效控制；但从实际效果上对西域特别是南道绿洲诸国的农业发展，推动当地文明的历史进程，有着划时代的意义。
