公元前1世纪，佛教从印度经克什米尔首先传入和田地区。不久又从丝绸之路北道传入喀什地区。佛教传入前后，新疆正处于奴隶社会发展阶段，南疆数十个割据政权互相攻伐，战争频仍，社会动荡。佛教提倡忍耐，统治阶级正需要利用这种宗教来平息劳动人民的不满和反抗；劳动人民对原始宗教的信仰没有能够改变他们的悲惨命运，就把希望寄托在新传入的佛教上。所以，佛教传入后，在各地统治阶级的大力倡导和扶持下，迅速在各地传播开来。魏晋南北朝时期（220-589），佛教进入其发展的鼎盛阶段，在新疆逐渐形成了以佛教为主，多种宗教并存的局面。

　　当时，各绿洲城廓之国，上至国王显贵，下至庶民百姓，几乎全体崇信佛教。随着佛教的发展，各地佛教僧侣人数也急剧增加。据史书记载，于阗的僧侣多达“数万人”，瞿摩帝寺一座寺院，僧人就有3000人，其他各地一般在1000至4000人左右；建寺造塔在各地蔚成风气，当时在龟兹（今库车）城内就有“佛塔庙千所”，于阗则家家门前皆起小塔，最小者高二丈许。不仅寺院的数量多，而且建筑规模宏大，装饰奢华。位于南疆阿克苏地区的著名的千佛洞就开凿于这一时期。

　　这一时期，在塔里木盆地两端，丝绸之路南北道上，逐渐形成了于阗和龟兹两个佛教中心。当时中原地区的许多僧人远渡沙碛来新疆或经新疆前往印度取经求法。公元399年，东晋（317-420）著名高僧法显（约337-约422）从长安西行，取道新疆前往印度取经。他对沿途新疆各地佛教的教派、寺院、僧侣人数、佛事活动等，都进行了深入的考察，并把他的旅行见闻辑录成《佛国记》。在这本书中，法显详细生动地记述了当时在新疆十分盛行的两种佛事活动：一是于阗的“行像”仪式，一是竭叉（今喀什）等地的“般遮越师”。“行像”即佛像游行的简称，是指把佛像装在车上游行的一种佛事活动。在于阗举行的这种仪式历时14天，由于阗的14座大寺轮流举行。仪式隆重庄严，规模盛大，不仅所有的佛教徒都要参加，国王、王后也要亲临。在佛像车距城门百步时，国王要脱下王冠，换上新衣，赤足持香和鲜花，出城迎接佛像入城；王后及其侍女则在城门楼上向下抛撒鲜花。在竭叉等其他地区则举行名为“班遮越师”的“斋会”，这种斋会五年举行一次，由国王主持，邀请各地僧侣参加，分别由国王和大臣设供供养，时间一至七天不等。供养结束后，国王和众大臣还要向僧侣布施“种种珍宝、沙门所需之物”。

中国开凿最早的大型石窟寺群——克孜尔千佛洞

准噶尔盆地的雅丹地貌奇特，被称作“魔鬼城”

　　5世纪至7世纪初，新疆战乱频仍，绿洲经济受到严重破坏，人民生活日益贫困。人们在不堪重负的情况下，还要承担建寺造塔和佛事活动的费用，供养一大批不劳而食的僧侣；对佛教的信仰不仅没有给他们带来幸福，相反使他们的命运更加悲惨。这些人逐渐对佛教信仰产生了动摇。从7世纪中叶起，佛教虽然在官方的支持下仍保持其主要宗教的地位，但已经受到袄教、摩尼教等其他宗教的冲击，开始走向衰落。这一时期来到新疆的著名高僧玄奘在各地所见佛教信仰状况，无论寺院建筑、佛事活动、僧侣人数等各方面，都已远远不如法显时代。所以，在伊斯兰教传入后，佛教便急剧衰落，其主要宗教地位最终被伊斯兰教所取代。

　　在佛教盛行之际，道教、摩尼教、景教等东西方宗教，也相继沿着丝绸之路传入新疆。