公元7世纪初，前述情况发生重要转变，天山北道悄然兴起，成为沟通中原汉地与中亚的交通干道之一。《隋书·裴矩传》引裴矩所作《西域图记序》记载，当时东西往来的商贾在敦煌和西域间行进的道路“凡为三道”。其中，“北道从伊吾，经蒲类海铁勒部突厥可汗庭，度北流河水，至拂菻国，达于西海”，正是天山北道。此道经过突厥可汗庭，直接受西突厥汗国控制。当时正值粟特人与突厥人共同体（Turco-Sogdian Milieux ）发育成型，粟特商人依托突厥帝国在整个中央欧亚草原的霸权，通过草原之路四处通商。这条商路的兴起正是这一历史背景的反映。裴矩的记载中并不见“北道”有城郭、道路等属于定居文明的基础设施，也没有各地之间明确的道里数，则当时的“北道”应仍是一条草原之路。
天山北道在唐朝的经营之下得到了发展。7世纪上半叶，唐朝先后在哈密盆地、吐鲁番盆地和准噶尔盆地东南部设置伊、西、庭三正州，开始了其对东部天山地区的直接统治。7世纪中叶，唐朝攻灭西突厥阿史那贺鲁的反叛势力，将军事势力辐射至整个东部天山地区。唐朝随即开始在西域地区建立起一套适用于定居文明的交通体系。《唐会要》记：“显庆二年（657）十一月，伊丽道行军大总管苏定方大破贺鲁于金牙山，尽收其所据之地，西域悉平。定方悉命诸部，归其所居。开通道路，别置馆驿。”贞观二十二年（648）贺鲁率部内属唐朝时，初被置于庭州下。永徽二年（651），他率众西迁，于双河和千泉建帐，自立为沙钵罗可汗，统摄西突厥咄陆、弩失毕十姓。贺鲁势力在天山北麓地区称霸，数度侵扰西蕃诸部，并进寇唐庭州。为剿灭贺鲁势力，唐朝先后三次西征，主要行军线路和交战地点均在天山北麓。永徽三年，梁建方、契苾何力为弓月道行军总管，率唐府兵、回鹘兵与贺鲁属部作战。行军涉及天山北麓的处月、处密、处木昆等部所在和牢山、凭洛水等地。永徽七年，程知节于葱山道行军讨击贺鲁，唐军在鹰娑（今巴音布鲁克）与贺鲁部交锋。显庆二年，唐朝发两路大军，分别从天山北道和阿尔泰山南麓向西进攻贺鲁牙帐，终攻灭贺鲁势力。唐朝在击破贺鲁势力、收服西突厥地面后，为保证其军事控制而实行“开通道路，别置馆驿”的措施，应覆盖了天山北麓地区。692 年，唐朝从吐蕃手中夺回安西四镇，发三万汉兵驻守安西，标志着唐朝西域镇兵化时代的开始。702 年，又改庭州为北庭都护府，从此形成安西、北庭两大军区防御东部天山和塔里木盆地的局面。随着唐朝屯重兵在东部天山地区，为了满足日常生活和驻防的需要，大规模的基础设施建设在当地展开。天山北道正处在北庭都护府的防卫、经营之下，它逐渐从一条几乎无迹可寻的草原之路蜕变成一条有着明确的道里、完善的路政设施和严密的驻防体系的“阳关大道”。《新唐书·地理志》记北庭的情况如下：
北庭大都护府，本庭州……县四。有瀚海军，本烛龙军，长安二年置，三年更名，开元中盖嘉运增筑。西七百里有清海军，本清海镇，天宝中为军。南有神山镇。自庭州西延城西六十里有沙钵城守捉，又有冯洛守捉，又八十里有耶勒城守捉，又八十里有俱六城守捉，又百里至轮台县，又百五十里有张堡城守捉，又渡里移得建河，七十里有乌宰守捉，又渡白杨河，七十里有清镇军城，又渡叶叶河，七十里有叶河守捉，又渡黑水，七十里有黑水守捉，又七十里有东林守捉，又七十里有西林守捉。又经黄草泊、大漠、小碛，渡石漆河，逾车岭，至弓月城。过思浑川、蛰失蜜城，渡伊丽河，一名帝帝河，至碎叶界。又西行千里至碎叶城，水皆北流入碛及入夷播海。金满，下。轮台，下。有静塞军，大历六年置。后庭， 下。本蒲类，隶西州，后来属，宝应元年更名。有蒲类、郝遮、咸泉三镇，特罗堡。西海。下。宝应元年置。
唐朝沿着天山北道设立众多城镇，用以屯兵、供给行人。各城之间的距离里程明确，说明这时天山北道的道路已经固定下来。唐代天山北道不但联结着草原地带，更一跃成为中原进出中亚的道路。