海西历史悠久。古为西羌地,两汉时今海西东部为先零卑禾等羌人部落活动范围,西部属“若羌国”。汉平帝元始四年(公元4年),王莽置西海郡,今海西东部属之。王莽末郡废,复为羌地。
东晋后期,今海西西部为吐谷浑属地,东部为鲜卑乙弗国地(后并于吐谷浑)。吐谷浑首领拾寅在位时(约公元452年),曾在白兰(今都兰县诺木洪一带)修建城廓,至吐谷浑伏连筹即位期间(公元491—529年)曾建都于今海西境内,后移置伏俟城(今共和县石乃亥乡铁卜洽古城)。
大业五年(公元609年),隋军击败吐谷浑,在其地设置四郡,今海西东部属西海郡,西部属鄯善郡。隋末,吐谷浑复据故地。
唐贞观十年(公元636年),吐谷浑成为唐属国。龙朔三年(公元663年),吐蕃王国灭吐谷浑据有其地,今海西州曾隶吐蕃腊城节度使。
宋代,今海西西部为撒里畏兀尔(即黄头回纥)地,东部为吐蕃地方政权——角厮啰势力范围。
元代,今海西州西北地区为甘肃行省沙州路辖区,其余大部为宣政院所属吐蕃等处宣慰司辖区。元顺帝时,设曲先答林元帅府,封卜烟帖木儿为宁王,镇守今柴达木西部地区。
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