В середине 6 веке Жужаньское государство, а позднее и эфталиты были разгромлены тюрками, создавшими огромное государство – Тюркский каганат, власть которого простиралась от Тихого океана до Черного моря. С этого времени значительно ускорилась тюркизация современного Казахстана. После распада каганата в 588 году на Восточный и Западный, в районе Семиречья разместился центр Западно-Тюркского каганата (Тардуша), просуществовавшего до 680 года.

В 6–7 веках на территории Семиречья активно селились согдийцы, что привело к образованию десятков городов и поселений в долинах рек Талас, Чу и Или. Позднее Тардуш, в свою очередь, распался на две коалиции племен: к западу от реки Чу (Нушиби) и к востоку от нее (Дулу). Среди племен Дулу усилились тюргеши, создавшие в начале 7 века свое государство, самым могущественным правителем которого был Сулу. Развивались города, ставшие центрами ремесла и торговли (Тараз и другие), чеканилась монета. В 766 Тюргешское государство сменил Карлукский каганат, продержавшийся до 940 года.

В 8–9 веках часть южного Казахстана оказалась под властью арабов, пришедших из Средней Азии и принесших с собой быстро распространившийся ислам. Дальнейшее продвижение арабов на восток было остановлено после битвы с китайскими войсками в 751 на реке Талас в Семиречье.

В южном Приуралье в 8 веке обитали мадьяры (венгры), а в 9–11 веках западные и юго-западные районы Казахстана находились под властью тюркского кочевого племени Огузов, создавших собственный каганат. Огузы контролировали торговые пути в Среднюю Азию, Иран, Китай, на Кавказ, в Поволжье и на Русь. Северо-восток и центр страны начиная с 8 века населяли скотоводческие тюркские племена кипчаков и кимаков. Этот район получил название Кипчакской степи (Дешт-и-Кипчак), и одно из казахских племен впоследствии сохранило название кипчаки.

В конце 9 – начале 10 веков Карлукский каганат был разгромлен тюркским племенем ягма, которое вторглось в Семиречье из Восточного Туркестана. Ягма создали обширное государство Караханидов, включавшее Мавераннахр, Семиречье и Кашгарию. Караханидские правители (тамгач-ханы) жаловали своим наместникам (ильханам) и вассалам территории, с которых те собирали налог. В государстве существовала развитая экономики и культура, от которой сохранились мавзолеи Бабаджи-хатун (10–11 века) и Айша-биби (11–12 века). На Великом Шелковом пути процветали города Отрар, Тараз, Сыгнак и другие.

В 11 веке государство Караханидов ослабело из-за внутренних феодальных усобиц; сельджуки отняли у него Мавераннахр. Непрерывные войны привели к упадку торговли и ремесла. В 1130-х годах государство было уничтожено киданями, которые создали в Семиречье и Средней Азии государство каракитаев. Оно быстро пришло в упадок. В середине 12 века независимости добился Хорезм, установивший затем контроль над Мавераннахром и частью Семиречья. При дворе хорезмшахов большим влиянием пользовалась кипчакская знать, а наместником Отрара в начале 13 века стал кипчак Инаньчик Каир-хан.