唐玄宗晚年時期爆發了「安史之亂」，國力一潰千里，當時勢力如日中天的外族吐蕃，趁機進佔西域及河西，他們勢力橫跨中亞及西域。有文獻記錄指，吐蕃勢力在西域鼎盛時，有部分西域守軍，即使與中原唐軍失去聯繫，也堅守陣地，獲得唐室加許；但有些堅守不住潰散，漫漫湮沒在歷史長河當中。
安史之亂之前，是唐朝經營西域的全盛時期，但此後隨著國內政局劇烈變化，唐朝在西域的勢力也大大衰退，由高峰跌入了低谷。公元755年，唐朝蠻族將領安祿山、史思明率領的東北邊疆叛軍長驅南下，攻陷東、西兩京，唐玄宗愴惶逃出長安，南下四川。
玄宗的兒子肅宗在靈武繼位，內調大批西域邊兵，還徵發西域各國當地軍隊幫助平亂。《資治通鑑》記載，公元756年唐肅宗徵拔汗那兵馬，「轉諭城郭諸國，許以厚賞，使從安西兵入援。」至於《舊唐書·尉遲勝傳》載，于闐王與拔汗那一起發兵，還有大食等國。
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西域邊兵以及各國軍隊，對平定安史之亂起了重要的作用，唐朝在西域的勢力自此大大削弱，當時西域外部威脅主要是大食和吐蕃，安史之亂發生後，大食沒有趁火打劫，派兵助唐叛亂，相反吐蕃，在唐軍平定安史之亂後，乘機大舉進攻河西。
在這種劣勢下，西域某程度上得以保全，多得唐室孤軍堅守，有的長達幾十年，特別是河西地區，後來還出現了大名鼎鼎的以敦煌城為根據地的「歸義軍」政權，成為懸孤在中原內地以外、在少數民族政權重重包圍之下，一直堅持著。
敦煌壁畫中的西域守軍 (網上圖片)
公元763年，吐蕃軍隊佔領河西、隴右的大部分地區後，西域四鎮在這時還保持著一定的兵力，即使與內地的聯繫斷絕了，但仍然奉唐正朔，堅守西域，即使中原年號已改也不知道。四鎮在這時還保持著一定的兵力，敦煌文書《河西節度使判集》有云，河西唐軍將近抵擋不住吐蕃進攻時，遣使前往四鎮，「索救援河西兵馬一萬人」。
由在于闐發現的漢文文書中發現，到了公元768年，西域守軍又與朝廷恢復了聯繫，朝野上下被他們「忘身報國」的精神感動，代宗下詔褒獎，向西域唐軍通報中原情況，並讚揚他們。
除了四鎮以外，另一個地方北庭也是孤軍作戰，最終遭到吐蕃與其他部族聯合大舉進攻，很快就被吐蕃攻陷，節度使楊襲古率殘兵二千人逃往西州，剩餘唐軍繼續在分散的繼續堅守，最後消失在歷史的長河中。