汉代在正式的郡国政区之外，还有一个相当特别的行政区，即西域都护府。西域都护俸禄为比二千石，近似郡太守的级别，都护府地位相当于郡，但所辖不是县，而是以军事监护的方式管理天山南北绿洲上的50个左右的小国。
这些小国大致分为两类，一类是行国，即随水草游牧，另一类是居国，建立城郭在绿洲之上，从事农耕生产。西域诸国在汉武帝之前为匈奴的藩属，经过武、昭、宣三代的经营，才于公元前60年设立西域都护府，将这些小国置于军事监护之下。这是中原王朝领有西域版图的第一步。西域都护并不干预各国原有的制度和生产生活方式，只要求他们效忠汉王朝而已。
在西域设置都护府的形式从汉代一直延续到唐代(中间一度改为长史府)，但其间若断若续。唐朝前期国力鼎盛。在天山南北分设安西大都护府和北庭都护府。这时的北庭都护府以下辖县，与内地正式的州县无别。但天山南路的安西大都护府仍以军事监护形式，管理少数族诸国。
唐代不但在西域设置都护府，还把这种制度推广到东、北、南、西各个方向的边境地区：在辽东的朝鲜设立安东都护府，在北边建立单于、安北大都护府，在越南北部建安南中都护府，在西南设保宁都护府。其中单于、安北和安南三个都护府也都统县，与正州没有什么差别。安东都护府初设在平壤，只起监护作用。因为唐廷平定高丽国所置的都督府和州县，概用当地首领为都督、刺史和县令，统治并不深入，不上十年，因当地民族的反抗，安东都护府内撤至辽东，再徙于辽西，安史之乱后罢废。保宁都护府唐朝中期才建，管理西藏云南地区少数民族，但只起羁縻作用而已。
因此唐代都护府名称虽一，而实质各异，大抵在汉化程度较深地方，都护府已是正式政区，其次则保留监护性质，对所辖少数民族仍以故俗治理，第三种大抵只是挂名而已，没有真正的管理效能。在东、南、西南三个方向，唐代疆域都不如汉，但在西域地区唐代的版图却超过汉，并比汉代的统治更为深入，这不单是唐代国力鼎盛的缘故，也是十六国时期以来长时间经营的结果。公元四世纪中期，前凉已在今新疆吐鲁番设置高昌郡，隋代又在哈密设伊吾郡。唐代改这两郡为西、伊二州，然后更向西北建立庭州，北庭都护府实际上就是庭州的后身，其所辖四县之一的轮台县，就是今天的乌鲁木齐市。
