3、垂拱二年（686年）至长寿元年（692年），第三次交换控制权。
垂拱二年（686年）十一月，武则天曾以“务在仁不在广，务在养不在杀，将以息边鄙，休甲兵，行乎三皇五帝之事者也”为由，“拔”四镇，镇军全部撤回西州，四镇再度易手。
唐朝之所以要放弃安西四镇，主要因为高宗去世后，武则天临朝称制。国内先发生了徐敬业叛乱，接着程务挺、王方翼等名将相继被杀，刘仁轨、裴行俭等宿将也先后死亡。
而北方东突厥势力再起，连续袭扰边境。吐蕃则乘机再次入疆，攻破焉耆，威逼四镇安全。
在这种情况下，武则天不得不以“养民”为借口进行战略收缩，放弃安西地区，固守北疆伊、西、庭三州和河西走廊。
但很快，吐蕃就用军事行动证明“拔”四镇是个昏招。
唐朝撤出四镇镇军后，被寄予防御厚望的四镇诸酋长，大多迅速倒向吐蕃，有些干脆成了带路党。
吐蕃军队迅速在安西站稳了脚跟，并沿着沙漠东缘一路向东，连克重镇播仙镇（今且末）和若羌，兵锋直指沙州（敦煌）。
武则天平定唐宗室诸王之乱后，重新开始在西域落子布局。
她先命行军司马宋师将，出兵收复焉耆作为试探。成功之后，又于永昌元年(689年)五月，命韦待价领唐军西进，攻击在吐蕃安西的军队。
可惜，韦待价在寅识迦河（今新疆伊宁西南），再度惨败于钦陵之手。当时恰逢天降大雪，唐军士卒在旷野上败退，冻饿交困，伤亡甚众。
寅识迦河之败后，武则天并不甘心失败。
公元692年（长寿元年），西州（今新疆吐鲁番）都督唐休璟上书请求四镇。
武则天随即以王孝杰领十八万唐军再入西域，重挫蕃将勃论赞，“克复龟兹、于阗等四镇，自此复于龟兹置安西都护府，用汉兵三万人以镇之”。
有了重兵驻守的安西四镇，此后基本保持了稳定。
虽然，两年后（延载元年，694年）吐蕃卷土重来。但王孝杰在安西、北庭唐军配合下，连续在大岭、冷泉两地，大败吐蕃大将论赞刃和西突厥十姓可汗阿史那·俀子，重创蕃、突联军六万人。
之后，唐军稳固控制安西四镇的局面，一直保持到安史之乱爆发。
综上所述，由于西域史料缺乏、凌乱，且各书记载多有相悖之处。故史学界对安西四镇初置时间、四镇初置时的组成，以及废置次数存在很多争论。
单就四镇废置的次数，便有三置三弃、四置四弃、五置五弃、六置六弃四种观点。
所幸，随着近年来一批简牍和墓志铭在新疆出土，四镇废置问题逐渐变得清晰。
不论四镇经过几次废置，安西地区作为沟通东亚、西亚、中亚、南亚的十字路口，其战略价值不言自明。
因此，当时身居亚洲的三个霸主，一无例外的都将手伸向了此地。让这处夹在天山和昆仑山之间的盆地，成了大帝国走马轮回的战场。
贞观三年（629年）十一月，李世民趁北方草原天灾不断之机，联合薛延陀、回纥、拔也古、同罗等部，分兵六路北伐突厥。在这场赌上国运之战中，唐初能战之将悉数登场，一战而亡东突厥。
此时，唐朝对西域的概念尚沿袭隋朝旧制，以敦煌以西为西域的东界。
《隋书·裴矩传》在记载通向西域通路时，以“发自敦煌，至于西海”为描述，可见敦煌是中原的西方门户。
但随着唐朝对西域经营的开始，“西域”所指的范畴也开始不断变化。
《唐会要》在贞观八年的条目里记载，“以西域置伊州”。可见，至贞观八年（634年）时，伊州（今新疆哈密）尚在西域范畴内。
贞观十四年（640年），高昌王麴文泰与西突厥结盟，李世民以侯君集、薛万均为大将证讨。攻拔高昌城，麴氏王朝(公元501年一公元640年)覆灭。
唐遂于高昌故城置西州（今新疆吐鲁番哈拉和卓古城)，并“置安西都护府于交河城，留兵镇之”，又于可汗浮图城(今新疆吉木萨尔北破城子)设庭州。
在北疆形成了伊、西、庭防御三角形后，李世民强硬的推行了政治制度改革，以“州、县、乡、里”制颠覆游牧部落的统治。
于伊州下设伊吾(以隋朝修的新伊吾城为中心)、纳职(大约在今哈密三堡与四堡之间)、柔远(以隋朝在伊吾东北修的柔远故城为中心)三县。
于西州下设柳中(今都善鲁克沁一带)、交河(今吐鲁番交河故城)、蒲昌(今鄯善县，本地民族称作辟展，显然就是蒲昌的音变)、天山(今托克逊县附近，托克逊也是天山的音变)四个县。
于庭州下设金满(金满一名来源于汉代的金满城，现在的县名吉木显然是金满的音变，萨尔是维吾尔语城的意思)、轮台(大致在今昌吉至阜康之间)、蒲类(大致在今奇台以东、巴里坤以西，后改为后庭县)、西海(地理方位不明)四县。
武周长安二年（702年），在庭州设置了北庭都护府（安西都护府已迁至龟兹），节制瀚海、天山、伊吾三军，辖兵二万人，马五千匹。
从唐朝对北疆强硬的管控措施上看，唐庭实际上已将天山以北草原地区看成了本土，以驻军流官的方式，结合羁縻制度加以管控。
至太宗晚期，朝野对西域的认知已大大西推，直辖于中央的伊、西、庭地区不再纳入西域的范畴。
玄奘法师天竺取经回国后，在长安所着《大唐西域记》里，对西域各国进行叙述时，开篇即说“出高昌故地，自近者始，曰阿耆尼国(旧曰焉耆)”。
可见此时的“大唐西域”，已不包括原高昌国范围，而是特指焉耆以西的地区了。
此时的“西域”，实际上指的是“唐朝疆域以西”。北疆的西州已取代了敦煌，成为唐朝经营与交往西域的桥头堡。