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  在西域都護出現前,西域諸國役屬於匈奴;匈奴於冒頓單于和老上單于在位期間(公元前209年-前161年)征服了西域,初期時以奴役方式統治西域諸國。其後匈奴設定僮僕都尉一職,該職為西部的日逐王先賢撣在狐鹿姑單于(公元前96年-前85年)在位時期前後時間所設定,其職責是在西域徵收賦稅。公元前60年至前59年前後,左部出身的日逐王與右賢王屠耆堂不和,遂率領其部屬數萬騎歸順漢朝;漢朝便在烏壘國設定西域都護,以取代僮僕都尉一職,將天山南部第一次置於漢廷的勢力範圍之下。西域不屬漢朝郡縣範圍,與僮僕都尉不同的是,西域都護的職責主要以保護當地城邦國為主,因此西域都護並不像匈奴的僮僕都尉一樣在西域有徵收賦稅的職責。  在對匈奴的戰爭取得重大勝利後,尤其是在張騫通西域、漢攻大宛之戰之後,為西域此後納入漢朝的勢力範圍創造有利條件,此時為保障西域通商之路的通暢,於是“自敦煌西至鹽澤(今羅布泊),往往起亭。而輪臺、渠犁皆有田卒數百人,置使者校尉領護,以給使外國者”,漢武帝開始在渠犁和輪臺二地屯田以供應往返河西四郡的使者;此時絲綢之路南北兩道的西域諸國仍役屬於匈奴,諸國也必須向匈奴僮僕都尉交賦稅。  西域都護一職初設於公元前60年(漢宣帝神爵二年),都護府設在烏壘國都城(今新疆巴音郭楞蒙古自治州輪臺策大雅南),西域都護設定後,結束了匈奴在西域長達百餘年的支配與影響,將天山南部第一次置於中央朝廷的勢力範圍之下,鄭吉被任命為首位都護。除了保護塔里木盆地和吐魯番盆地的西域諸城各小國,都護也有“督察烏孫、康居諸外國”的責任,但這些外部的西域諸國不屬漢朝勢力範圍內,《漢書·西域傳》將這些諸外國列入監護名單外。鄭吉之後,西漢時代擔任西域都護職位的共有18位;已知姓名的共有10位。公元10年,新朝王莽與匈奴斷絕關係後,匈奴大舉攻入西域;公元13年焉耆王起兵斬殺由西漢任命的西域都護但欽,於是“西域亦瓦解”,新朝勢力退出西域;公元16年,王莽以李崇為西域都護討伐焉耆失敗,李崇還保龜茲國;公元23年王莽死後“(李)崇遂沒,西域因絕”。  東漢時期,匈奴在西域徵收重稅,一些西域諸國向漢光武帝提出設定西域都護。東漢於公元74年重設西域都護,以陳睦為都護,但次年焉耆王廣和龜茲王建圍攻西域都護,殺西域都護陳睦及吏士二千餘人,遂罷西域都護;公元91年,班超平西域,東漢遂以班超為西域都護,駐龜茲國境內的它干城(今新疆庫車附近,其址未詳)焉;公元94年,班超斬焉耆王廣、尉黎王泛於前都護陳睦駐紮過的烏壘城,又於公元97年派甘英出使羅馬帝國,公元102年班超回朝,任尚、段禧接任西域都護;至公元107年7月29日,因西域諸國反,龜茲國人叛白霸和東漢與羌的戰爭,“朝廷以其險遠,難相應赴”,從此廢置西域都護,北匈奴重新佔領了西域。123年班勇收復西域,改置西域長史府。  十六國前涼建興二十三年(335年)再次設定西域都護,治所在高昌(今新疆吐魯番市東),歷經前涼、前秦、後涼、北涼(段氏)、西涼、北涼(沮渠氏)沿置。

  西域都護的廢置和匈奴的興衰有一定關係;西域都護第一次廢置是在公元10年,當時匈奴與新朝關係破裂,匈奴大擊北邊,而西域亦瓦解;焉耆國因離匈奴近,先反,殺西域都護。新朝西域都護被自己屬國所殺後,匈奴遂重新佔領西域,此後,匈奴在西域徵收重稅,而西域諸國“苦匈奴重斂”。第二次廢置也是最後一次廢置在公元107年,東漢雖成功鎮壓並保有龜茲國,但因西域政治的不穩定而最終廢置西域都護,北匈奴收復西域。
西域都護是漢代西域最高軍政長官。在西漢,都護是加在其他官號上的職稱,普遍由騎都尉或諫議大夫兼領,領二千石俸;東漢年間為單任官職。西漢、新朝和東漢都設定過西域都護。