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早在2000多年前的春秋战国时期，博尔塔拉为塞种人的游牧地。
西汉初，分布在河西走廊的月氏被匈奴单于冒顿击败，西迁到天山西部及博尔塔拉一带。
汉宣帝神爵二年（前60年），西汉政府设置“西域都护府”，至此，包括今博尔塔拉地区在内的巴尔喀什湖以东、以南广大地区，正式归汉朝中央政府管辖。
隋开皇二年（582年），突厥分裂为东西两部，博尔塔拉一带属突厥西面可汗。
唐贞观二十三年（649年），唐朝在西突厥地区设瑶池都督府，博尔塔拉等地属瑶池都督府统辖。
唐永徽二年（651年），瑶池都督阿史那贺鲁背叛唐朝在双河（博尔塔拉河流域）自立为汗。
唐显庆三年（658年），唐朝击灭阿史那贺鲁势力，在博尔塔拉设双河都督府。
武则天长安二年（702），唐朝又在庭州改金山都护府为北庭大都护府，管辖包括双河都督府在内的天山以北及巴尔喀什湖以东、以南广大地区。
7世纪末，西突厥一部突骑施部逐渐发展壮大起来，占据着天山以北包括今博尔塔拉在内广大地区，并和唐朝保持着隶属关系。
唐开成五年（840年）后，喀喇汗王朝建立，博尔塔拉在其领域之内。
西辽时，博尔塔拉和西辽保持隶属关系。
宋嘉定十一年（1218年），蒙古成吉思汗灭西辽，征服西域。
宋宝庆无年（1225年），成吉思汗分封诸子时，把包括博尔塔拉在内的额敏河流域的广大地区封为三子窝阔台的领地。
博尔塔拉州在新疆的位置蒙古宪宗二年（1252年），蒙哥汗为窝阔台汗后裔划分封地疆界，将包括今博尔塔拉在内的伊犁河流域至阿姆河的广大地区封为窝阔台之孙海都领辖。
元中统五年（1264年），忽必烈在阿力麻里（今伊犁霍城附近）设行中书省，博尔塔拉隶阿力麻里行中书省管辖。
元大德十年（1306年），察合台后裔笃哇尽收海都生前所占察合台汗国领地，博尔塔拉亦成为察合台后王领地。
明朝永乐至宣德年间，察合台后王歪思汗西迁阿力麻里，称为亦力把里，博尔塔拉为其统治。
明正德年间哈萨克人在阿拉套山一带游牧。
明万历十五年（1587年），卫拉特部进入博尔塔拉游牧。
明崇祯十六年（1643年），准噶尔首领进攻哈萨克人，征服托克马克地区及阿拉套山两个哈萨克部落。
博尔塔拉为蒙古准噶尔部所占有。