厥原屯兵的可汗浮图城设庭州。西州、庭州在某些时期虽然也是军事性质的都护府的所在地，但三州实行与中原相同的州县制，编入陇右道和后来分置的河西道。县下有乡、里，在州县乡里按律令推行与中原大同小异的均田制、租庸调、差科、府兵制、学校等制度。
天山南北地区设置军事性质的都护府。唐在西域最先建立的是安西都护府，贞观十四年八月灭高昌，九月即置安西都护府于交河城（今新疆吐鲁番西十公里雅尔城，一说府治在西州），管理西域军政事务。贞观二十二年，府迁龟兹。但是，随着唐与西突厥、吐蕃、突骑施等斗争过程中的形势变化，安西都护府也曾几次撤离龟兹，例如，在阿史那贺鲁反叛期间(651～657)；咸亨元年(670)吐蕃陷四镇之后数年；垂拱二年(686)到长寿元年(692)吐蕃占据四镇期间，安西都护府即迁回西州。长寿元年之后，安西都护府稳定地设在龟兹王城近百年之久。都护府之下，从太宗到玄宗时期陆续添置军、镇、戍、守捉、堡、烽堠等一系列级别的军事建置。例如，贞观十四年，西州即置有天山军，初约千余人，天宝时兵力达五千人；文明元年(684)，庭州置瀚海军，常驻一万二千人，马四千二百匹；远在西陲的碎叶镇置保大军，在这里也曾屯驻过天山军、瀚海军。安西都护府之下最重要的军镇是安西四镇，即龟兹、于阗、疏勒、碎叶。在碎叶设镇之前，焉耆为四镇之一；开元七年(719)，唐允许西突厥十姓可汗阿史那献进驻碎叶，复以焉耆充四镇之数。天宝元年前后，安西驻军两万四千。在庭州，长安二年(702)，武则天正式建立北庭都护府，以与安西都护府分工，应付吐蕃与后突厥配合进攻西域的严峻形势。值得注意的是，在此之前，唐朝似乎曾在庭州设立过金山都护府，因为文献中有裴行俭、王方翼、杜怀宝等人在仪凤三年(678)至调露元年(679)期间任金山都护或副都护的记载。天宝元年，北庭驻军两万人。
在天山以北的西突厥、突骑施等草原游牧民族活动的地区，唐朝设立羁縻性质的都护府、都督府和羁縻州，安置降附唐朝的部落。这些羁縻性质的都护府、都督府州均归安西都护府和后来设置的北庭都护府管辖。例如，贞观二十年，太宗置瑶池都督府，以归降的阿史那贺鲁为都督，使他统管西突厥诸部。显庆二年，唐平贺鲁叛乱，分西突厥地设濛池、崑陵二都护府，安置助唐平定贺鲁之乱的西突厥首领阿史那弥射和阿史那步真。弥射被封为兴昔亡可汗兼崑陵都护，管辖五弩失毕；步真被封为继往绝可汗兼濛池都护，管辖五咄陆部。西突厥的属部和其他降附于唐的民族酋长或首领也分别被立为都督府或羁縻州的都督或刺史。
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