从2000多年前的汉代开始，对新疆人类活动才有比较明确的记载。当时主要有：塞人、羌人、月氏人、乌孙人、匈奴人和秦人，还有居延人、单桓人、龙勒人、焉耆人等，除塞人外，都是由东向西迁至新疆。此时还有敦薨人，即吐火罗人，是先由新疆迁至内地，再返回新疆。
塞人是白种人，为东伊朗人种，由西向东至新疆。大约在公元前8-前7世纪，西迁于中亚，后陆续迁至伊犁河流域。公元前178年后，受到甘肃河西走廊一带月氏人西行的挤压，塞人一部分南下，散处于南疆各地，与当地居民建立了大大小小的城廓之国。之后又被陆续进入新疆的各民族融合。羌人最初活动于黄河上游，后不断西迁。特别是受秦国攻击、和后来汉朝反击匈奴时也西逐河西羌人，经多次西迁至新疆。当时的新疆羌人人数众多，分布也较广，并建立了一些小国。有婼羌，还有西夜、子合、德若、蒲犁、依耐、无雷诸国。从许多历史资料来看，羌人是中国最早西迁至新疆西域的一个民族。
月氏人大规模西迁始于公元前177年。月氏受匈奴袭击被迫从河西敦煌一带经罗布泊西入天山，再进入伊犁河流域，并逼迫在此生活的塞人南迁，并在此建立了月氏国。在迁徒的曲折而遥远的征途，不断有族人遗留，新疆多处留下了月氏人的踪迹。有史学家认为，那时的龟兹国是由月氏人西迁时留下的居民所建。
乌孙人西迁始于公元前161—160年左右。乌孙原居河西走廊，后被月氏人所败而投奔匈奴，又因脱离匈奴统治而西迁到哈密，后至伊犁河流域。与月氏人驱逐塞人一样，乌孙人又驱走了刚刚定居在此的月氏人，并建立了当时西域最大的国家，人口鼎盛时达63万之多。
匈奴西迁始于公元前176年。“匈奴，其先祖夏后民之苗裔也。”西汉时，匈奴冒顿单于派副手右贤王率军大规模西征，攻灭月氏，吞并乌孙，占领了河西走廊和今新疆东部地区，统辖新疆100多年，与汉朝争夺新疆达260余年。
汉人也是新疆古老民族之一。当时称周人，其西迁可能最早始于距今3500年前后。
据《穆天子传》记载，早在太公亶公时期，就有周族的一支西迁到“春山之虱”，建立了“赤乌国”公元前2世纪末，西汉与乌孙的政治联姻，汉朝的细君公主、解忧公主先后远嫁乌孙王，随从数百人。从公元前105年与匈奴争夺新疆始，汉朝不断在新疆驻军、屯田，至公元前60年建立西域都护府后，人数约有多人。不少屯田士卒带有妻儿，至西汉后期已遍布天山南北。此后，进入新疆的汉人络绎不绝，或为官、或从军、或经商、或为西入新疆强族的“俘获之人”，总会有部分人长期定居、繁衍，其中多被融合到其他古代民族之中。
敦薨人，原指吐火罗人，是对吐火罗的音译，曾由新疆东迁至甘肃河西，汉初又由河西返回新疆。其上下2000多年，线索明显，敦煌就是因吐火罗人曾居于此而得名。吐火罗人原属西域，战国时以焉耆为中心，活动于开都河、孔雀河流域，其中一部分东迁进入河西。
居延人西迁。大约在公元前4-前3世纪，居延人受到秦国的威胁，开始向西迁移，进入腾格里沙漠一带。汉时在那里设立了居延县，大约在同时，居延人又向西迁至今哈密西北。
单桓人西迁。单桓人原属今甘肃张掖县西部，以后这地名在此不曾出现，而在西域出现了。单桓国实际上是一个小的部落政权，公元前121年，其首领被汉军俘获后，余部西迁至天山以北定居，并建立了部落政权。
焉耆人西迁与龙勒人几乎同时。焉耆人因原居于甘肃河西焉支山而得名。汉初焉耆国被汉朝击败，其王降汉后被封侯爵，从此河西不见焉耆人，而后在西域出现了焉耆国。显然这是被汉朝击败后的焉耆人大量西迁至今焉耆盆地，征服当地土著居民后重建的。
自汉朝后至民国时期，历经1700多年，除了汉人继续不断迁至新疆外，更多的是众多中国北方一支支强族先后登台亮相于天山南北。中国北方强族如北丁零、鲜卑、氐族、柔然、鬲昆高车、吐谷浑、突厥，有青藏高原的吐蕃和羌族，有今天维吾尔人的族源回纥、今天柯尔克孜人的族源黠戛斯、今天哈萨克人的重要组成部分的克烈、乃蛮、蔑儿乞惕、弘吉刺惕、札刺亦，还有契丹，特别是蒙古及其漠西蒙古瓦剌，和其逐渐形成的准噶尔、杜尔伯特、和硕特、土尔扈特四部。
在这一历史时期，由西而来的粟特人、古阿拉伯人、古叙利亚人、波斯人、古印度人、嚈哒都与新疆各个时期的民族融合。
到18世纪中期，清朝平定准噶尔部后，满、锡伯、察哈尔、索伦等从东北陆续抽调到新疆，期间回族人又不断来疆。以后又有俄罗斯、乌孜别克、塔塔尔等民族移居新疆。至19世纪末，新疆13个世居民族分布格局开始形成。