首先被俄国吞并的是哈萨克地区。
哈萨克地区位于中亚的北部，和俄国相邻。早在6—8世纪，这里就建立过突厥汗国、突骑施、葛逻禄等早期封建国家。13世纪蒙古铁骑横扫亚洲大陆时这里沦为大蒙古国（后为金帐汗国）的一部分。15世纪金帐汗国分裂后，原突厥人和蒙古人融合形成的哈萨克人建立了大帐、中帐和小帐三个哈萨克汗国。大帐占据巴尔喀什湖一带，中帐占据锡尔河中游北面的草原，小帐据有咸海以北地区。哈萨克人属游牧民族，他们建立的这几个汗国只是半封建半部落的社会组织形式。三个汗国中大帐和中帐同中国的关系较密切，他们游牧的部分地区如巴尔喀什湖、塔拉斯河流域，自古以来就是中国的领土。
俄国对哈萨克地区的吞并如同其对西伯利亚的吞并一样，是通过建立碉堡线、实行军屯、强行殖民、逐步蚕食的办法实现的。
17世纪初，俄国从东北和西北两个方向开始向哈萨克草原侵蚀。在东北方面，俄国沿额尔齐斯河上游建立了许多碉堡，形成了一条从鄂木斯克经塞米巴拉金斯克到乌斯季卡缅诺哥尔斯克的额尔齐斯河碉堡线，又称西伯利亚碉堡线。在西北方面，沿乌拉尔河而上建成了奥伦堡碉堡线。沙皇俄国一方面通过修建碉堡线不断向哈萨克草原进逼，一方面通过所谓的谈判拉拢收买哈萨克上层统治者。这样首先诱使哈萨克小帐和中帐在18世纪30—40年代“自愿”归顺了俄国，成为俄国的藩属。但沙皇政府并不以此为满足，它要侵吞的是哈萨克斯坦的全部土地。它继续在哈萨克草原修建碉堡，把一座座碉堡连成碉堡线，把大片大片的土地、牧场、森林和河流圈入自己的版图，在这里实行军屯和强行殖民，建立起一座座俄国村庄和城镇。1822年和1824年，沙皇政府干脆先后废除了哈萨克中帐汗和小帐汗的统治，建立起俄国的行政管理体制。1854年，沙俄政府又逼迫哈萨克大帐“自愿”并入俄国版图，从而完成了对面积达二百多万平方公里的哈萨克斯坦的吞并。
俄国在吞并哈萨克斯坦的同时，也迈出了征服中亚其他汗国的步伐。
当时在中亚还有三个比较大的汗国，从东到西依次为浩罕、布哈拉和希瓦汗国。浩罕汗国位于费尔干纳河谷一带，大体包括现今的吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦所在地，在三汗国中面积最大，人口最多，约300万。布哈拉汗国位于锡尔河与阿姆河之间，大体相当于现今乌兹别克斯坦所在地，在三汗国中经济文化最为发达。希瓦汗国位于阿姆河中下游，大体相当于现今土库曼斯坦所在地，在三汗国中领土最小，人口只有80万。
早在18世纪初，俄国就开始向这里侵袭。1714—1717年，俄国曾四次出兵攻打希瓦汗国，结果都以失败告终。1807—1838年，沙俄向中亚进行了14次远征。1839—1840年，沙俄奥伦堡总督彼罗夫斯基奉命远征希瓦，率领大批军队和1.5万匹骆驼驮着远征用的给养和水，穿过荒无人迹的草原，但途中遭遇暴风雪和严冬的猛烈袭击，大部分骆驼和马匹被冻死，迫使其狼狈而归。
多次远征未获成功，沙俄改变策略，采取了如同征服西伯利亚的做法，即修筑碉堡，实行军屯，强行殖民，连接碉堡线，步步为营，逐步蚕食。19世纪40—50年代，俄国从哈萨克草原东、西两侧同时采取行动。东侧，俄军于1847年从塞米阿巴拉金斯克向南推进，侵入巴尔喀什湖东南中国境内，在库克乌苏河（今卡拉塔尔河）上游构筑了科帕尔堡。之后，继续向前推进，于1853年占领了中国境内的伊犁河下游流域及楚河流域地区，在伊犁河以南修筑维内尔堡（今阿拉木图），这样，连接成了一条“新西伯利亚碉堡线”。西侧，俄军于1847年在咸海东北角锡尔河三角洲修筑了赖姆堡（后改名阿拉尔斯克堡），然后，溯锡尔河而上，向南推进约450英里，于1853年占领浩罕的阿克·麦切特要塞（后改名彼得罗夫斯克），沿线构筑碉堡，形成锡尔河碉堡线。这样，两条碉堡线像一把张开大嘴的钳子对准了中亚三汗国，随时等待着把它们吞噬。
1853—1856年，俄国同英、法、土耳其等国为争夺黑海和巴尔干的控制权发生了克里木战争，战争以俄国的惨败而告终。战争期间，俄国无力东顾，暂时放缓了对中亚的军事进攻。战争结束后，俄国丧失了在欧洲的霸权地位，向西扩张受到遏制，急欲从东方获得补偿。同时，当时同俄国争夺欧洲霸权和亚洲殖民地的主要对手是英国，占领了中亚，就对英国的印度殖民地造成直接威胁。更重要的是，19世纪以来，俄国的棉纺织业迅速发展，已成为俄国的主要工业，原来供应俄国棉纺织业的棉花主要来自美国，1861年美国内战爆发后，来自美国的棉花受阻，加之美国棉花由于路途遥远，价格昂贵，这就促使俄国棉纺织业主另辟棉源。中亚地区盛产棉花，质高价廉，自然成为俄国工商业者的首选。他们联合上书沙皇政府乃至直接上书沙皇，强调中亚棉花对俄国的重要性，请求准许他们在布哈拉等地经商，请求政府在那里设立领事馆。此时俄国刚刚经过农奴制改革，资本主义迅速发展，俄国资产阶级迫切要求开辟更广阔的商品市场和原料产地。正是由于这种种因素的推动，俄国加快了征服中亚的步伐。
1863年12月，沙皇亚历山大二世批准了俄国陆军部制订的连接东、西两条碉堡线，深入中亚的计划，发出了大举进攻中亚的号令。1864年夏，俄军兵分两路，一路由切尔尼耶夫上校率领，从新西伯利亚碉堡线的终端维尔诺堡出发，于6月16日攻占了浩罕汗国的奥列·阿塔要塞（今江布尔）。另一路由维列夫金上校率领，从锡尔河碉堡线上的彼得罗夫斯克出发，于6月25日攻占了伊斯兰教圣地、浩罕汗国的土尔克斯坦（又译土耳其斯坦）城，将两条碉堡线连接在了一起。这道碉堡线就像一道长城、一堵巨大的铜墙铁壁，把三汗国紧紧挤压在各自的国土上动弹不得，等待着俄国北极熊的吞食。
之后，俄国便开始逐一征服三汗国。首先被征服的是浩罕汗国。
1864年10月，因扩张有功荣膺少将的切尔尼耶夫率军对浩罕重镇奇姆肯特发动进攻，该城守军英勇抵抗，但因寡不敌众，被俄军攻占。其时英国等西方国家正密切注视着俄国在中亚的扩张。为安抚英国等西方国家以及为自己的行动辩护，俄国外交大臣戈尔什科夫发出通告，声称奇姆肯特是俄国向南推进的极限，但这无异于强盗赌咒。之后不到半年，俄军就向浩罕重镇塔什干发动了进攻。塔什干是中亚最大的城市，时有人口10万，也是中亚的经济中心，中亚的几条商业大道汇聚于此，是中亚转运贸易的枢纽。它位于浩罕北部，是进入浩罕、布哈拉汗国的门户。对于这样一座具有重要战略地位的城市，俄国奥伦堡总督克雷扎诺夫斯基原打算亲赴现场指挥作战，但切尔尼耶夫求功心切，不等克雷扎诺夫斯基到达，便抢先发动了进攻。这位入侵中亚的干将首先发挥现代化重武器的威力，接连炮轰两日，夺取了控制塔什干的咽喉要地尼阿兹别克堡，切断了塔什干城的饮水和粮食供应，妄图迫使守城军民投降。守卫塔什干城的爱里木·库里汗率军英勇抵抗，主动出击，遭受重创，库里汗不幸阵亡。1865年6月，俄军攻入塔什干城，城内军民殊死抵抗，掀翻大车、砍倒树木筑起街垒，和俄军逐巷逐屋地白刃搏斗，正如沙俄学者捷连季耶夫在《征服中亚史》一书中所记载的：“每座房屋都得经过白刃战斗方才易手。”这样血战三日，塔什干终于6月28日沦陷。
俄军攻占塔什干后，切尔尼耶夫又导演了一幕“自愿归顺”的丑剧，逼迫该城的上层人士发表声明，签字盖印，表示塔什干“自愿归顺”俄国。这就又为俄国吞并塔什干披上了“合法”的外衣。塔什干从此落入俄国手中。为了褒奖切尔尼耶夫所做的这一切，沙皇特赐予他一柄镶嵌宝石的佩剑。1867年沙皇政府在塔什干设立土耳其斯坦总督区，统辖新征服地区，直属俄国陆军部。1868年2月，俄国又迫使浩罕汗国的胡德亚尔汗签署不平等的《通商条约》，浩罕汗国实际上沦为俄国的附庸。俄国奥伦堡总督克雷扎诺夫斯基明确指示接替切尔尼耶夫征服中亚的罗曼诺夫斯基，把浩罕汗当作俄国的藩臣来对待，并说：“如果他感到委屈，采取反对我们的行动，那更好了，这将给我们提供彻底解决他的借口。”
紧接着，俄国把征服的矛头指向布哈拉汗国。1866年5月，俄军借口布哈拉汗国干涉浩罕汗国的事务，向布哈拉汗国发动进攻，在伊尔加尔击败布哈拉军。9月，布哈拉汗国派使团来到霍占特，表示愿按俄国的条件签订和约。俄方提出要布哈拉在10天内交出巨额贡赋的苛求，布哈拉无力交付，提出异议，俄军遂按原订计划向布哈拉大举进攻。10月2日，攻占布哈拉要塞乌拉·丘别，5日，攻占由1万余名布哈拉军镇守的吉扎克，25日，闻风丧胆的养吉库尔十城不战而降。1867年，俄国为了巩固新征服土地，镇压当地人民的反抗，放缓了对布哈拉的进攻。1868年4月，俄国新设立的土耳其斯坦总督府首任总督考夫曼率军再次对布哈拉发动猛攻，5月2日攻占撒马尔罕，17日攻占卡塔—库尔干，6月3日，在吉拉布拉克高地的决战中击溃布哈拉主力。布哈拉埃米尔穆扎法尔见大势已去，抵抗无望，只得宣布投降。
然而布哈拉人民不甘屈服，撒马尔罕城爆发反俄大起义，考夫曼急率大军回师残酷镇压了起义，并屠城3日，将起义者通通枪毙。布哈拉人民顽强不屈的反俄斗争使考夫曼看到，要完全吞并布哈拉并不容易，遂于7月和布哈拉签订了和约。根据和约，布哈拉承认俄国吞并霍占特、乌拉·丘别和吉扎克，并将撒马尔罕和卡塔—库尔干割让给俄国，向俄国赔款50万卢布。布哈拉沦为俄国的附庸。
之后，俄国便着手征服希瓦汗国。1869年11月，俄国首先从高加索出兵，占领了里海东岸的克拉斯诺沃斯克，形成了从东、北、西三面包围希瓦的态势。1872年，沙皇亚历山大二世给考夫曼下达了命令，说：“康斯坦丁·彼得洛维奇（考夫曼的教名和父名），去把希瓦拿来吧！”考夫曼得令后立即准备，于1873年2月指挥俄军兵分四路，从土耳其斯坦、克拉斯诺沃斯克、曼格什拉克、奥伦堡四个不同方向向希瓦扑来，到5月下旬即兵临汗国都城希瓦城下。当时希瓦汗国刚刚发生政变，正处于混乱之中，俄军以强大兵力很快攻占希瓦城。8月24日，俄国强迫希瓦签订和约，希瓦承认为俄国的藩属，把阿姆河右岸割让给俄国统治下的布哈拉，并向俄国赔款220万卢布。希瓦汗国也被俄国征服。
这样，从1847年俄国在锡尔河口修建赖姆堡，建立碉堡线，到1873年强迫希瓦汗国签订和约，俄国仅用26年的时间便征服了中亚三汗国。1875年，浩罕汗国发生大规模起义，宣布对俄国进行“圣战”。俄国在残酷镇压起义之后，干脆废除了浩罕汗国，将汗国领土改为费尔干纳省，隶属于土耳其斯坦总督府。浩罕汗国就这样被灭亡了。1887年到1899年，俄国又先后将从布哈拉和希瓦夺得的地区改名为撒马尔罕省和外里海省，同样隶属于土耳其斯坦总督府。布哈拉和希瓦两汗国虽然名义上还存在，但实际上已完全沦为任沙俄摆布的奴仆了。
俄国在征服中亚三汗国之后，中亚地区只剩里海东岸一带土库曼人居住的地区尚未被其控制。土库曼人大部分以游牧为生，尚未形成自己独立的国家组织形式。1873年俄军进攻希瓦汗国期间，考夫曼即下令进攻土库曼人的约穆德部，大肆屠杀约穆德人，烧毁他们的帐篷，把他们赶进斋克西河淹死。从1877年起，俄国对土库曼地区发动进攻，首先攻占了通向阿哈尔捷金绿洲的大门克孜勒—阿尔瓦特。1879年9月，俄军攻打阿哈尔捷金绿洲重镇格奥克·帖佩时遭到土库曼人的沉重打击，大败而归。1880年年底，镇压浩罕起义的刽子手斯科别列夫率俄军1.1万人，携带大炮97门再次对格奥克·帖佩发动猛攻。守卫该城的土库曼人虽然工事简陋，武器落后，但英勇不屈，殊死抵抗，在俄军重炮的轰击下坚守达3周之久，使俄军在付出了沉重代价后才攻入城内。俄军此时兽性大发，不分男女老幼，肆意屠杀，被屠杀的土库曼人多达八千余人。若干年后，斯科别列夫临死时有人问他，是否为屠杀这八千余人感到良心谴责，这个屠夫却答道：“不，我遗憾的是没有杀掉8万人。”俄国征服者的野蛮残忍由此可见一斑。到1884年，俄军一直向南推进到阿富汗边境的库什卡河谷。俄国完成了对土库曼地区的吞并。
至此，整个中亚地区尽在沙俄的股掌之中，被称为大英帝国王冠上的明珠的印度已遥遥在望，时刻梦想着世界霸权的沙皇对这颗明珠早已垂涎三尺，一旦时机成熟，它必将毫不犹豫地从英国手中夺取。