1870年，阿古柏控制了整個南疆和北疆的部分地區。沙俄於1872年承認阿古柏為“哲德沙爾汗國君主”，同阿古柏簽訂通商條約。英國也於1874年同阿古柏簽訂正式條約，承認阿古柏的“艾米爾”（即統治者）地位及其竊踞地區為“合法的獨立王國”，從而取得了在阿古柏統治區通商、駐使，設領事等特權。
光緒元年（1875年）5月，左宗棠被任命為欽差大臣，督辦新疆軍務，金順為烏魯木齊都統，幫辦新疆軍務。左宗棠根據敵我情況和新疆地區的地理條件，制訂了緩進急戰、先北後南的戰略方針，並花了近兩年時間籌集軍餉、採運軍糧、整頓軍隊、改善裝備，完成了收復新疆的作戰準備。
左宗棠統帥清軍於1876年4月至1878年1月2日消滅了侵佔新疆的阿古柏勢力。在其支持下曾紀澤於1881年成功與沙俄定約收復伊犁。一位英國外交官評論説:“中國已迫使俄國做出了它從未做過的事，把業已吞下去的領土又吐出來了。”
在古代新疆屯田發展史中，清代屯田無疑是規模最大、組織最為嚴密、成效最為顯著的屯田。清朝統一天山南北後在新疆開展的屯田活動，不僅對當時新疆社會經濟的發展產生過重大影響，而且一直影響到新疆的近代。
1877年8月17日 ，收復新疆之戰尚未結束，左宗棠便奏請在新疆設行省。1878年2月他再次提出上述建議。1880年5月，他提出了新疆建省的第一個具體方案：擬設總督駐烏魯木齊，巡撫駐阿克蘇，伊犁將軍仍舊，塔爾巴哈台改設都統。
左宗棠、劉錦棠大力發展民屯，1884年至1905年，全疆新墾荒地960萬畝，烏魯木齊變成新疆最大的屯墾基地和經濟、政治中心。到1911年，新疆人口達到216.2萬多人，耕地增到1055.47萬畝。由於屯田的迅猛發展，使新疆出現了“農桑輻輳，阡陌成羣”的景象。
1953年5月，新疆軍區根據中央軍委和西北軍區命令，將駐疆二、六軍大部分，五軍（民族軍）大部，二十二兵團全部共10.5萬人，集體就地轉業，組成了舉世無雙的農業生產大軍，擔負起征服荒漠、開發建設新疆、保衞邊疆的歷史重任。【新疆阿克蘇，1906年。攝影：曼納海姆】
1864年，喀什噶爾的封建主金相印為了兼併漢城（今疏勒），向浩罕汗國求援。浩罕汗國派遣阿古柏率軍於1865年侵入南疆。阿古柏在南疆地區大肆攻城掠地，不斷擴充勢力，於1867年底以喀什噶爾為中心，成立所謂的“哲德沙爾”偽政權，自稱“巴達吾來特阿孜”（意即洪福之王）
1884年（清朝光緒十年），新疆省初置鎮迪道、阿克蘇道、喀什噶爾道、伊塔道四道。至清末已廢除伯克制，有迪化、伊犁、焉耆、温宿、疏勒、莎車6府，8直隸廳、2直隸州、1散廳、1散州、21縣。左宗棠西征時的主要部將劉錦棠成為首任新疆巡撫。