840年庞特勤率回鹘十五部进入七河地区[今伊克塞湖附近，楚河、塔拉斯河一带，降服葛逻禄，建立新的政权，史称喀喇汗王朝。[关于该王朝的起源诸说不一， 据穆斯林史籍记载，喀喇汗王朝的创建者是毗伽阙•卡迪尔汗。这与汉文史籍中的庞特勤“自称可汗”可相互印证。毗伽阙•卡迪尔汗建牙楚河上游的巴拉沙衮，号称虎思斡耳朵。喀喇汗王朝的领土，最初是七河地区，以后又归并了伊犁河谷、费尔干纳和喀什噶尔地区。
毗伽阙•卡迪尔汗死，由其二子继位。长子巴兹尔为大汗，治巴拉沙衮；次子奥古尔恰克为卡迪尔汗，治怛逻斯（今哈萨克斯坦江布尔）。喀喇汗王朝的政治体制，据普里查克的研究，是“双王制”。整个汗国分为两大部分，由汗族的长幼两支分治这两部分。长子为大可汗，称阿尔斯兰汗，意为狮子汗，他在理论上是整个汗国的首领，首都是巴拉沙衮。幼支为副可汗，称博格拉汗，意为公驼汗，首府在怛逻斯。低于汗的称号，依次是伊利克（王）、特勤、于伽、俟斤、将军、伊难珠匐等。在这些称号上往往加禽兽名称表示更细微的差别。通用的禽兽名称有阿尔斯兰、贝里（狼）、亚干（象）、托黑鲁尔（鹫）等。以上称号都属于汗族成员，它们组成了一个特别的等级体系，如有缺位，依次上升。但事实上，喀喇汗王朝并不遵守这一制度，经常因争夺汗位而秩序大乱，到后来愈演愈烈。实质上这是一种分封制度，巴尔托尔德说：“在喀喇汗国家像所有的游牧帝国一样，氏族制的观念从私法领域移到国家法律领域。国家被认为是整个汗族的财产，因而把它分成许多封地；有时强大的附庸完全不承认帝国首领的统治权。”
关于长支巴兹尔的情况，史籍未留下记载。幼支奥古尔恰克曾同河中地区的萨曼王朝发生战争，893年萨曼王朝军队攻下怛逻斯，奥古尔恰克的一万名战士牺牲，他妻子和一万五千人被俘。奥古尔恰克迁都喀什噶尔，继续同萨曼王朝斗争，袭掠其边境。奥古尔恰克利用萨曼王朝的内争，庇护从河中地区逃来的一个王子，让他住在喀什噶尔以北的阿图什。
萨图克博格拉汗死后，长子巴依塔什继位，其教名为木萨•本•阿不都克里木。木萨驻喀什噶尔，称阿尔斯兰汗。他在苏菲派的帮助下实现汗国的伊斯兰化，960年有二十万帐操突厥语的游牧人接受伊斯兰教，木萨汗宣布伊斯兰教为国教，在人类历史上出现了第一个突厥语民族信奉伊斯兰教的国家。
木萨汗统治时期，开始了征服和田的“圣战”，但他很快在971年去世。其子阿里继位，仍对和田进行“圣战”，并于998年在英吉沙尔的一次战斗中死去。和田的最后征服，是在11世纪初由玉素甫•卡迪尔汗完成。这场“圣战”前后历时近四十年。
在喀喇汗王朝的喀什噶尔统治者征服和田的同时，巴拉沙衮统治者也开始了对萨曼王朝的征服。990年博格拉汗哈桑利用萨曼王朝的内乱和人民不满，出兵白水城（今哈萨克斯坦奇姆肯特附近），当地贵族出城迎接博格拉汗进城。两年后，即992年，博格拉汗哈桑又向河中地区进军。萨曼国王努赫二世想动员全国力量进行抵抗，但是人民不支持，将领叛变，他只好逃出首都布哈拉。博格拉汗哈桑在萨曼王朝将军法伊克的欢迎下进驻布哈拉王宫。不久，博格拉汗身染重病，锡尔河下游的土库曼人也向喀喇汗王朝的军队进攻，于是他决定撤军，死于返回巴拉沙衮的途中。
喀喇汗王朝的乌兹干统治者阿尔斯兰伊利克（狮子王）纳赛尔（阿尔斯兰汗阿里之子）继续博格拉汗哈桑征服河中地区的事业。999年纳赛尔进军布哈拉，萨曼国王马利克二世请求宗教界支持，但遭到拒绝。宗教首领对穆斯林们说：“如果喀喇汗王朝和萨曼王朝是因为宗教争执，那就必须同他们战斗。如果是为这个世界上的财富而斗争，那就不允许穆斯林们自相残杀。喀喇汗王朝的生活方式非常好，并且他们的信仰是无可责难的。因此最好是放弃任何干预。”穆斯林们放下武器，萨曼王朝的将领跑到纳赛尔的大营投诚，喀喇汗王朝军队在没有任何抵抗的情况下开进布哈拉。纳赛尔接管了萨曼王朝的国库，把宋代国王马利克二世及王族其他成员俘送乌兹干。纳赛尔在布哈拉留置总督后，也返回自己封地的首府乌兹干。
巴尔托尔德对这一重要事件做了启人深思的评论：“这个著名的王朝[指河中萨曼王朝]在普遍的淡漠中殒落了。当时谁也未必理解到这一永远终结了土著的雅利安人统治的历史事件的意义。”今天在我们看来，河中地区并入喀喇汗王朝领土的意义至少有二点：第一，从此中亚地区的统治权一直控制在突厥语各民族的或突厥化的代表人物手中，这无疑加速了中亚地区的突厥化。第二，喀喇汗王朝征服河中，同它以前的马其顿•亚历山大和阿拉伯人，同其后的成吉思汗和贴本儿都有一个显著的不同之点，即它的征服并未伴随着大规模的屠杀、抢劫和烧毁，使中亚社会经济文化的发展中断，而基本上是和平归并，当地未遭到严重的破坏，不久就恢复，并且继续向前发展。伊斯兰世界中世纪最伟大的史学家伊本•阿西尔公正地指出：“喀喇汗国在秩序和法制方面是最好的国家之一。”
11世纪初喀喇汗王朝镇压了萨曼王族阿卜•伊卜拉欣•伊斯梅尔领导的反抗运动；又两次越过阿姆河，进攻（今阿富汗加兹尼附近的）哥疾宁王朝，但以失败告终。双方以阿姆河为界，平分了萨曼王朝原有的疆域。至此，喀喇汗王朝对外扩展基本停止下来，整个汗国的疆域东南至今天的若羌[罗布泊西南]，与西夏为邻；正东至今天阿克苏与拜城之间，以荒山、戈壁与高昌回鹘王国为界；东北至阿尔泰山，与辽朝为邻；正北至巴尔喀什湖一线；正西至咸海，包括花剌子模在内，1017年哥疾宁王朝占领花刺子模，喀喇汗王朝才失去这一地区；西南以阿姆河与哥疾宁王朝为界；正南包括瓦罕走廊，以兴都库什山为界，帕米尔以东以喀喇昆仑山，昆仑山、阿尔金山为界。
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