新疆那时候尚未建省。清廷在惠远城设有“伊犁总统将军”一人，节制天山南北。
将军之下，设有参赞大臣四人，分别驻在惠远、塔尔巴哈台（塔城）、乌鲁木齐、喀什噶尔（疏附）。
乌鲁木齐于乾隆三十八年改称迪化州，参赞大臣改称都统。这迪化州及其所辖的阜康县、孚远县、奇台县、昌吉县、绥来县，被划入甘肃省。（阜康等地改县，是在乾隆四十一年。）
与迪化州同样被划入甘肃省的，有镇西、吐鲁番（及其所辖的鄯善县）、哈密、库尔喀喇乌苏、精河等六个直隶厅。
这一州六厅，是当时的所谓“甘肃新疆”（甘肃的新疆），简称“新疆”。
伊犁在行政上自成一个特殊单位，不属于甘肃省，因此也就不在所谓“新疆”以内。
伊犁共有九城：惠远以外，另有绥定、惠宁、广仁、瞻德、拱宸（霍尔果斯）、熙春、塔勒奇、宁远（伊宁）。九城以外，塔尔巴哈台直隶厅也归伊犁管辖。
哈密与吐鲁番均在天山山脉以南，却不在所谓“南疆”以内。南疆在当时称为“回疆”。重要的城市有八：东边的四个（东四城），是喀喇沙尔（焉耆）、库车、阿克苏、乌什。西边的四个（西四城），是喀什噶尔（疏附）、英吉沙、叶尔羌（莎车）、和阗。八城的重要性，颇有出入，因此也分别设有参赞大臣、办事大臣、领队大臣不等，统归驻在喀什噶尔的参赞大臣统辖。
专管行政的官，在迪化州及镇西等六个厅，以及迪化所辖的各县，有知州、同知、知县等等。专管军事的官，在迪化州有提督，在伊犁与喀什噶尔有总兵，在其他各厅、各县、各城，有副将、参将、都司、守备、游击不等。
在白彦虎逃来新疆以前，东干便已有人在此举起反清仇汉的旗帜。
同治三年五月，金相印在喀什噶尔勾引浩罕国安集延部酋长阿古柏，进入中国国境，进攻喀什噶尔城，拥立张格尔的儿子、大和卓博罗尼都的曾孙布士尔克为王。
六月，在库车的东干人响应，杀了清廷的办事大臣满洲人文艺及维吾尔人爱默特。
七月，吐鲁番地区也有东干人起事，占了托克逊城。
八月，清廷的乌鲁木齐参将索焕章叛变，杀害他的上司提督业布冲额，拥立一个来自西宁的阿訇妥明。妥明僭号“清真王”。
九月，阿古柏攻下叶尔羌，清廷的参赞大臣奎栋被杀。喀什噶尔与英吉沙尔的清廷驻军投降阿古柏，这两城也入了阿古柏之手。
十月，清真王妥明攻下乌鲁木齐的满城，打走清廷的都统平瑞。平瑞逃到绥来，被杀。
十一月，阿古柏攻占阿克苏与乌什；妥明攻占了库尔喀喇乌苏。
十二月，妥明的军队向西，进攻伊犁；向东，进攻济木萨（孚远）。两地的清军均吃败仗。
同治四年正月，妥明攻下济木萨；事先，攻下济木萨之东的古城子。四月，攻下奇台，杀了清廷的领队大臣惠庆。六月，肃州的东干分兵攻下哈密，杀了清廷的办事大臣札克当阿。
这时候，崛起了一位汉人领袖徐学功。他是乌鲁木齐的农家之子，练得一身武艺，他的部队逐渐发展，竟有五千之多，人人有马。
清廷的奇台知县恒颐与他合作。于是，他便在九月间一举而收复了奇台与济木萨。哈密办事大臣文麟，也在其后不久收复哈密。
同治五年五月，妥明攻占塔尔巴哈台（塔城）与伊犁，杀了参赞大臣武隆额与将军明绪。十二月，肃州的东干再度攻占哈密。
同治六年四月，清军夺回哈密。（布士尔克在这一年被废，阿古柏自践王位，称毕调勒特汗。）
这样，双方相持到同治九年，北疆的形势发生变化。妥明与阿古柏失和，派兵到南疆库车对阿古柏作战，失利。阿古柏收买妥明的大将马仲，对妥明夹攻，妥明向阿古柏投降。于是，北疆的大部分也成了阿古柏的领土。
阿古柏让妥明保存清真王名义，召马仲担任“阿奇木”。
马仲打徐学功，被徐学功打败，斩杀。马仲的儿子马人得继任“阿奇木”。妥明又与这马人得失和。马人得请求阿古柏出兵，讨伐妥明。阿古柏便约徐学功共同行动，迅速打下吐鲁番与乌鲁木齐二城。妥明退到绥来，被杀。
事后，阿古柏把乌鲁木齐交给马人得，引起徐学功的不满。
徐学功一时打不下乌鲁木齐，也无力顾及乌鲁木齐以西的各城。
阿古柏派兵接收妥明所遗下的伊犁九城，不受本地居民的欢迎。
俄皇亚历山大第二见有机可乘，便在同治十年五月偷占伊犁，向清廷说：“一等到中国政府在伊犁行使权力，即行归还”。
三年以后，左宗棠打下肃州，清廷派他“督办西征粮台转运事宜”，不叫他负责新疆的军事。
清廷所看重的，却是一位满洲人景廉。景廉是翰林出身，当过内阁学士、工部侍郎，也当过伊犁、叶尔羌的参赞大臣、哈密的“帮办大臣”。做官的经验他有，新疆的事情也不能说不熟悉，然而并无“将略”。
这景廉当了九个月“钦差大臣，督办新疆军务”，一筹莫展。他把责任推到左宗棠身上，说左宗棠粮运办得不好，不该由北路用骆驼运粮。
左宗棠上疏抗辩，说用骆驼运粮，由包头穿过乌里雅苏台与科布多的地界，到巴里坤（镇西），虽则是“骆负粮少”，而饲养所耗亦少。倘若依照景福的主张，用车骡运粮，由肃州经安西、哈密，翻天山，到巴里坤，虽则是“车骡负粮多，而饲养所耗亦多”。两种方法比较起来，“车行三十日而所负之粮尽，驼行三十日而所负之粮尚可稍余。”
清廷认为左宗棠说得有理，景廉也的确无能，于是在光绪元年三月任命左宗棠为“钦差大臣，督办新疆军务”。景廉被召回，改任“左都御史”。
左宗棠向清廷要求，先筹足粮饷然后进兵。清廷准他借“洋债”五百万两，又垫拨了各省协饷三百万两，洋税（关税）二百万两，一共是一千万两。
曾国藩一生从未受到过如此的宠遇，他对太平军苦斗了十几年，只花了两千多万两银子，而其中的极大部分，是自己想办法筹来的（募捐、抽厘）。
左宗棠准备好饷，买足了粮，把粮食一批一批地先行由南路运往肃州与古城子之间的各站，又经由北路运了不少，囤积在巴里坤。他而且向俄国买了几百万斤粮食，运到古城子。
为了不让兵士在穿过哈密戈壁之时缺乏水喝，他派匠人先行出发，尽量疏浚沿途的水源。
这样，他足足准备了一年。光绪二年二月底，他的军队从兰州分批出发，以肃州为集合地。他本人也进驻肃州，在肃州扎下大营（称为肃州大营）。
又过了两个月，粮食与兵士分批一一到达前线。巴里坤存了六百多万斤粮，古城子存九百多万斤粮，另有一千万斤左右在安西、哈密等地等候续运古城子。有三员大将在他的麾下：“帮办军务”满洲人金顺、“前敌总理营务处”刘锦棠、广东提督张曜。
左宗棠命令金顺驻扎在济木萨，刘锦棠驻扎在古城子，张曜驻扎在哈密。
对方的阵容是：马人得在乌鲁木齐，白彦虎在红庙子，马明在古牧地。
左宗棠在六月间亲临前线，到济木萨视察金顺的军队。他命令金顺进驻阜康。
敌人白彦虎也移师古牧地，与马明合力准备死守。
六月二十三日，刘锦棠奉命进攻古牧地，将古牧地包围，又击败了阿古柏来援的兵。五天以后，他打下古牧地，斩杀白彦虎与马明二人的部队六千余人。
第二天，刘锦棠进攻乌鲁木齐，不费一兵一卒占领该城。白彦虎、马明、马人得一齐逃走。
残余的东干部队，退守马纳斯。左宗棠命令金顺去攻，攻到八月，攻不下。左宗棠再派刘锦棠前往续攻，攻到十一月，破城。
白彦虎与马人得退到托克逊，阿古柏叫他们去守吐鲁番，自己进驻喀喇沙尔（焉耆），另派一人叫做“大通哈”的，守达坂城；又派儿子海克拉守住托克逊。
左宗棠一面分兵收复北疆的昌吉、呼图壁、景化，一面准备将阿古柏彻底解决。
准备到次年（光绪三年）三月，一切就绪，左宗棠下令进攻。刘锦棠在三月初五日到达达坂城，恶战一场，在第二天将达坂城占领，俘虏了大通哈及其大小头目，与来自南八城的军队以及几千名被裹胁的土尔扈特人。
刘锦棠把这些人释放，并且送他们衣服，送他们粮食。这些人回去以后，立即瓦解了阿古柏的军心。
八天以后（三月十四日），刘锦棠攻吐鲁番，马人得率领一万多部众请降，白彦虎溜走。
与吐鲁番及达坂城相犄角的托克逊，原由阿古柏的儿子海克拉守着，海克拉听说马人得不战而降，自己也就不战而逃，留下了三万多人，归刘锦棠接收。
阿古柏在喀喇沙尔急得天天痛哭，哭到四月间，服毒自杀。
他另一个儿子伯克胡里守住库车。
左宗棠于是又停顿一下，准备次一战役。这时候，清廷驻英公使郭嵩焘发出一种议论：“如不能速胜，可乘机议抚。”
原来，郭嵩焘是受了英国政府人士，尤其是一度曾任驻华公使的威妥玛的影响。英国人认为，中国不妨把南疆的八城放弃，交给伯克胡里，建立一个新的安集延王国，既可以作为印度的屏障，又可以阻碍俄罗斯的发展。
清廷把郭嵩焘的奏折抄发给左宗棠，征求左宗棠的意见。左宗棠回奏说：“安集延非无立足处，何待别为立国？抑别为立国，则割英地与之，或即割印度与之，可也；何为索我腴地以市恩？……彼为印度增一屏障，公然商我于回疆撤一屏障，此何可许？”
左宗棠不管英国人作何建议，仍旧准备他的次一战役。清廷中却又有人认为西征耗费过多。他们说：“乌城（乌鲁木齐）吐鲁番既得，（已经）有屯兵之处，（其余的地域）当众建（新国）以为藩篱，藉省兵力”。还有一些人，以为“海防”比“陆防”重要，不如省下一些钱，建立海军，修筑沿海炮台。
左宗棠的回答是：倘若放弃南疆，仍要在北疆设防；放弃北疆，也要在甘肃设防。钱哪里省得下来？他留下了几句不朽的名言：“重新疆，所以保蒙古；保蒙古，所以卫京师。新疆不固，则蒙部不安；匪特陕、甘、山西各边防不胜防，即直北关山亦将无晏眠之日。况今俄人拓境日广，由西而东万余里，与我北境相连，仅中段有蒙部遮阂。徙薪宜远，曲突宜先，不可不预为绸缪者，此也……则设行省，改郡县，事不容已。”
到了这一年（光绪三年）八月初一，左宗棠收复南疆八城的准备已经完成。刘锦棠军渡过开都河，长驱直入，于九月初一占领喀喇沙尔；初三，占领库尔勒；十一，占领库车。伯克胡里仅有一千多武装部队，于略事抵抗以后撤走。十几万被裹胁而去的维吾尔族难民，被刘锦棠救出。
伯克胡里与白彦虎逃到拜城，拜城的老百姓闭了城门挡驾，他只得继续西奔。刘锦棠军于九月十五日到达拜城，拜城的老百姓开门投降；三天以后，阿克苏也入于刘锦棠军之手。
再过两天，乌什又步了拜城与阿克苏的后尘。所谓东四城（喀喇沙尔、库车、阿克苏、乌什），于是完全克复。
十月间，张曜的一军由喀喇沙尔开抵库车，作为刘锦棠的后劲。
和阗城的维吾尔族领袖呢牙斯宣布反正，进兵叶尔羌，围攻叶尔羌城内的安集延头目。伯克胡里从喀什噶尔赶来击败呢牙斯，解了叶尔羌之围，乘胜追到和阗，加以占领。呢牙斯率部向北，穿过塔克拉马干大戈壁，投奔张曜。
喀什噶尔原有满、汉官兵若干人，于事变初起之时投降了阿古柏，这时候在守备何登云与章京英韶的率领之下宣布反正，占领了汉城（疏勒）。
回城的守将阿里达什抵敌他们不过；伯克胡里从和田赶来，帮阿里达什死守。
不久，刘锦棠从阿克苏率部到达，会同何登云、英韶的反正部队，于十一月十四将回城攻破。
伯克胡里、阿里达什、白彦虎，都逃去了俄国。叛军不再有人指挥。其后，叶尔羌、英吉沙尔、和阗，均入于刘锦棠的掌握。
天山南北，除了伊犁九城以外，完全克复。
清廷晋封左宗棠为二等侯，封刘锦棠为一等男。张曜在光绪六年被任命为喀什噶尔参赞大臣，其后官至山东巡抚。金顺在光绪二年被任命为伊犁将军，于俄国交还伊犁以后到任。
剩下的问题，是如何从俄国人的手中收回伊犁。依照左宗棠、金顺、刘锦棠的意见，这问题不难用武力解决。俄军在伊犁的人数、配备，均远不足以与左军的相比。
左军的补给线诚然很长，俄军的补给线更长。俄国当时并无西伯利亚大铁路，第一条越过乌拉岭的奥布—伏尔加铁路，到了光绪十年才开始兴筑。论国力，俄国在当时也不比中国充实。它的经济十分落后；教育比中国幼稚；政治比中国更腐化。
然而，李鸿章等人的主和论，占了上风。于是清廷在光绪四年派一个极糊涂的崇厚，去莫斯科办交涉。崇厚答应俄国：（一）割让塔城之北、阿尔泰城之西、额尔齐斯河上游的地域，包括这河的汇集之处斋桑泊。（二）割让伊犁之南，伊犁河的支流特克斯河两岸。（三）割让陬尔毕斯河以西。（四）赔偿军费五百万卢布。（五）俄国商人在天山贸易，概免纳税。（六）俄国商人可以从张家口到通州，由通州到天津，由天津到其他任何港口，与内地的西安、汉中、汉口等城市，来回买卖货物。（七）俄国除了已经在库伦、塔城、伊犁、喀什噶尔四个城市设置领事馆以外，增设领事馆于嘉峪关（肃州）、乌里雅苏台、吐鲁番、科布多、哈密、乌鲁木齐、古城子。（八）中国“粗茶”出口，一律免税。（九）这条约签定批准以后，五年以内不许修改。
崇厚如此丧权辱国，虽主和派的人也无法替他解说。结果，清廷将他定了死罪，关在牢里；所签的“1879年（光绪五年）中俄条约”不予批准。
清廷一面改派曾纪泽为出使俄国大臣，一面命令左宗棠布置军事，准备于再度交涉破裂之时，用武力收复伊犁。
左宗棠在光绪六年二月，由肃州进驻哈密，命令金顺扼守精河，作正面的守势，刘锦棠与张曜两军作为两翼，对伊犁作钳形攻势。半年以后，清廷忽然又软下来，召左宗棠回京，纯靠曾纪泽在莫斯科凭一口一舌向俄国人争回土地主权。大概是因为俄国派了军舰，在中国之东的公海上示威，清廷深恐沿海城市“防不胜防”。另一个原因是，李鸿章把戈登从外国请了来，向清廷恫吓，说：“如果想与俄国开战，必须准备打个十年不停，而且必须准备把政权交给汉人。”
曾纪泽从光绪六年六月开始，和俄国的外交部长格尔斯、驻华大使布绰夫等人谈判，谈了五十一次，谈到光绪七年正月下旬，才把条约谈妥，写成二十条。其中主要的部分是：（一）特克斯河两岸免予割让。（二）加赔四百万卢布，共为九百万卢布。（三）领事馆暂增肃州与吐鲁番两处，其他五处等以后商务兴旺时再议。（四）俄商在伊犁、塔城、喀什噶尔、乌鲁木齐及“天山南北两路”贸易，“暂”不纳税，等以后商务兴旺，“由两国议定税则，即将免税之例废弃”。（五）粗茶出口税先行酌减，将来进口、出口均按百分之五抽取关税。
曾纪泽的这一次交涉，可谓差强人意。很多人说，它是中国外交史上的一大胜利，其实这更是俄国外交史上的一大胜利。曾纪泽没有兵权，更不是清廷的决策者，在无可如何之中略为争回了一点颜面，确也不能不算是难得的了。
该杀的崇厚，却徼幸于曾纪泽对俄开谈以前被释放出狱。
左宗棠于光绪四年南疆平定以后，便已上疏清廷，力主把南疆与北疆合并起来，建立行省。北疆的东半部，本已有了迪化、镇西等府、州、县、厅，加上南疆东北角的吐鲁番等地，隶属于甘肃，称为“镇迪道”，但伊犁、塔城、阿尔泰等单位，正如南疆的多数地区，虽有将军、参赞大臣、办事大臣、领队大臣等，而事事必须假手于“回民头目”，以致“民之畏官，不如畏其所管头目……民知怨官，不知怨所管头目也”。
在未设州、县的地区，抽税的方法又极不合理。清朝各省自从康熙五十一年以来，是“地丁合一”，按照田亩抽税。“故无无赋之地，亦无无地之赋。新疆则按丁征赋，富户丁少，赋役或轻；贫户丁多，则赋役反重。事理失平，莫甚于此。”左宗棠建议设省，也是为了革除这项弊病。
为了避免因“言语不通，文字不晓”而生的种种误会，左宗棠主张以后所发的税捐收据，必须于汉字之旁兼注回文。同时，他计划“广置义塾，先教以汉文，俾其略识字义”。
左宗棠脚踏实地，在南疆设了很多“善后局”，以代行有如镇、厅、州、县所行之事，解除人民疾苦。他安辑南疆、北疆因战祸而流离失所的难民，不分回、汉、东干，一律给以荒地、种子、耕牛；又替他们开了许多渠，凿了许多井，造了许多路。
主要的两条大路是：北边由肃州经迪化直至伊犁之东的精河，南边由某地（七角井？）分支经托克逊，直达喀什噶尔。
他又改修或新建了许多城池，包括乌鲁木齐、玛纳斯、精河、喀什噶尔的回城（疏附）与汉城（疏勒）、叶尔羌、英吉沙尔、和田、喀喇沙尔、库车、玛喇尔巴什。
在军事方面，他替新疆设置了边防军，把关内的湘勇暂时留下，称为“防营”，然后逐渐裁汰，招练本地的“土勇”。员额规定为两万一千名，其中三成是马队，七成是步兵。
同时，他以陕甘总督的身份奏准清廷，将甘肃的“制兵”（绿营）由五万六千名减为一万七千余名；将陕西的制兵，由四万二千余名减为二万四千余名。省下来的饷，划给新疆的“防营”。
在财政方面，左宗棠也给建省的工作铺好了路。他实施招垦政策，使得田赋的收入大为增加。仅仅南疆八城（东四城与西四城），便已由十三万石增加到近二十四万石。厘金的收入，刚刚开办成绩就好过甘肃。办了不到二年，数字已超过六十万两。
曾纪泽在莫斯科办好交涉之时，左宗棠已调任两江总督。他仍不忘怀新疆建省的重要，再上一本奏章，请清廷早定大计。恭亲王等人都支持他的主张，于是慈禧太后终于在光绪九年加以接受。次年，任命刘锦棠为“甘肃新疆巡抚”。这“甘肃新疆省”以迪化为省会，下设若干府、州、县、厅，把南疆、北疆融成一片。
其后，省的名称简化为“新疆”，去掉甘肃二字，表明它不再是甘肃省的延长，而是全中国的新领土。
其实，新疆二字并不适宜。南疆的西域三十六国在西汉之时，便已自动归属中国；北疆曾经是匈奴的领域，在匈奴降汉以后，也成了中国的领土。唐朝时候，不仅南疆、北疆是中国州郡，连葱岭之西、里海之东，所谓俄属中央亚细亚全是。
新疆二字作为省名，既不适宜；只成立一个省，也嫌不够。左宗棠已经看出，新疆有五个中心。他建议总督驻在迪化，巡抚驻在阿克苏，伊犁仍设将军，喀什噶尔设一提督，塔城设一都统。
清廷在光绪九年建省之时，不设总督，而只设巡抚与布政使；也不专设一个按察使，而以“分巡镇迪道”兼理。
分巡镇迪道之下，有一府四厅；迪化府，镇西、哈密、吐鲁番、库尔喀喇乌苏四厅。
北疆除了分巡镇迪道以外，另有一个“分巡伊塔道”，所辖有伊犁一府、精河与塔尔巴哈台二厅。
南疆也有两个道：其中一个是分巡道，一个是兵备道。分巡道设在阿克苏，所辖有温宿直隶州（阿克苏）与喀喇沙尔、库车、乌什、英吉沙尔四厅。兵备道设在喀什噶尔，所辖有疏勒、莎车、和阗三个直隶州，与玛尔巴什（巴楚）、英吉沙尔二厅。（英吉沙尔有两个，一属分巡阿克苏道，一属喀什噶尔兵备道。）
府与直隶州之下，有原来的奇台等县与新设的拜城等县。于是新疆具备了相同于内地各省的规模。
其后，在光绪二十四年，喀喇沙尔升格为府，改名焉耆（汉朝的古名）。到了光绪二十八年，疏勒、莎车、温宿三个直隶州，也都升格为府；莎车厅升格的直隶州，玛喇尔巴什厅升为隶属于莎车府的厅，改名“巴楚”。
合起来，新疆有了六个府、八个直隶厅、两个直隶州、一个（普通）厅，一个（普通）州，二十一个县。
依照宣统三年的官方报告，新疆的户口是：户——453477：口——2069165。刘锦棠担任巡抚至光绪十五年为止。在他以后，担任巡抚的是魏光焘、陶模、饶应祺、潘效苏、联魁、何彦升、袁大化。