Карлуки, вступившие в борьбу с уйгурами за власть в Средней Азии, не устояли против уйгурского правителя Моен- Чура (756 г.) и покинули территорию Тарым, отступив на запад и, разместившись в районе Талас, в течение последующих 7-8 лет смогли распространить свое влияние на территории бывшего западного гёк-тюркского ханства в том числе на Тарбагатай и Джунгарию. Их столицей стал Баласагун. Они продолжали признавать превосходство Отюкена, и как политическое название использовали слово «туркмен».

Карлукские «ябгу», связывавшие свое происхождение с гёк-тюркской правящей семьей Ашина, сохраняли веру в непосредственную связь власти со «святой страной Отюкен». Но после падения уйгурского ханства (840 г.) карлукский ябгу, не принимая во внимание киргизов, объявил себя, как «наследника» тюркских ханов, «законным правителем степей» назвавшись Кара – ханом. Центром для себя он выбрал город Кара-орду (Куз-орду), что поблизости со столицей тургишей Баласагуном. Таким образом карлуки заложили основу будущему великому кара-ханскому государству. Кроме того, будучи наиболее близкими соседями исламского мира, о них часто упоминается в арабских и фасских произведениях (карлух, халлух) и, согласно информации, данной Худудуль-Алемом (последняя четверть 10-го века), страна карлуков, что граничит с ягмаями и огузами на востоке, с тохсулами, чигиламина и девятью огузами на севере, частью ягмов и Мавераннахром на юге, является «самой красивой из всех тюркских стран». В произведении указываются также 15 находившихся здесь городов и селений и перечисляются названия проживающих племен.

Карлуки, составлявшие основное население кара-ханского государства, начали создавать волнения, когда члены этой династии принялись бороться за власть. Это обстоятельство кажется способствовавшим быстрому распространению власти Кара-хитая в Средней Азии. Когда правитель Кара-хитая Еллу-таших (Кур-хан) одержал победу над кара-ханским правителем в 1137 г. в Самарканде Махмудом, он обратился с жалобой к своему дяде Сенджеру- великому сельджукскому султану, из которой видно, что среди нападавших были и карлуки.

когда султан Сенджер вышел для преследования карлуков, против него выступил Кур-хан. Поражение Сенджера в этой войне (1141 г.) было очень важным событием, способствовавшим внедрению «идолопоклонников» - кара-хитайцев аж до границ Хорасана. Карлуки стали причиной разлада отношений Кара-хитая и с хорезмскими шахами. В это время их предводитель Ябгу-хан был убит (1157 г.), другой карлукский предводитель - Айяр-бей был взят в плен кара-хитайцами (1172 г.).

Против карлуков, создававших постоянные беспокойства на территории Мавераннахра, выступил хорезмский шах-Аляуддин Текиш (1172-1200 гг.), поддерживаемый некоторыми тюркскими группами, такими как канглы, кипчаки и др. Вместе с тем, известно, что некоторые карлуки, хоть и в малом количестве, служили в армии хорезмских шахов и имели свое бейство в Туркистане, подчиненное Кара-ханам. Во время начала монгольских завоеваний (1215 г.) во главе этого бейства с центром Каялыг (на востоке реки Или) находился Арслан-хан-II. Арслан-хан вместе с уйгурским «иди-кутом» Барчуком вошел во власть монгол, растоптавших все азиатские страны. Этот карлукский «хан», будучи первым правителем-мусульманином, признавшим власть Чингиз-хана, умер в 1221 г. Сыну его был отдан город Озкент. Известно, что существовали карлуки, занимавшие служебные должности в монгольском государстве при Чингиз-хане.