隋朝时期，今宁夏地区成为突厥、铁勒、吐谷浑、粟特、党项等民族聚居区。北魏时期，生活在今中亚地区阿姆河和锡尔河之间，擅长经商的粟特人入居中国。至隋朝，粟特人“昭武九姓”定居宁夏。20世纪80年代，在隋唐考古史上具有重要意义的固原南郊隋唐墓地的挖掘，首次揭示了这种情况，共发掘隋唐墓7座。固原这批粟特人墓地，最早者史射勿埋葬于隋大业六年（610年），史射勿及其以后的史姓人都是入仕隋唐王朝的武将、官吏。据史射勿墓志记载：“公讳射勿，字磐陀。平凉平高县人也，其先出自西国。”西国指昭武九姓中的史国。这些流寓中国的中亚粟特人均以国为姓，见于文献记载的有康、米、史、曹、何、安等姓，统称为“昭武九姓”。这些民族的到来，说明了隋唐王朝国力兴盛，丝绸之路畅通。宁夏南部固原地区成为丝路上重要的交通枢纽。
突厥族起源于今新疆准噶尔盆地之北，还有一说突厥的祖先是十六国末期的“平凉杂胡”。北齐天保三年（552年），正式建立突厥汗国于都斤山（今蒙古杭爱山），不久成为北方最强大的游牧汗国。553～572年，西魏末北周初，突厥汗国达到全盛，有控弦之士数10万，完全控制了丝绸之路。隋唐时期，突厥汗国成为中原王朝的重要威胁。连年入侵，给北方人民的生命财产造成了巨大损失。唐太宗贞观四年（630年），唐朝军队大败突厥，颉利可汗率10万多人归降唐朝，灵州分别接受并安置了突厥降户，按部落由其酋长统领，在灵州设受降城。唐太宗贞观六年（632年），在平高县（今固原）北部之他楼城设置缘州，以安置突厥降户。神龙元年（704年），以他楼城为萧关县（《旧唐书》卷38），隶属于平凉郡原州（今固原）。这里的突厥降部基本上都以其酋帅为都督管理事务。
贞观二十年（646年）六月，唐太宗令江夏王李道宗、右卫大将军阿史那社尔、代州都督薛万彻等分数道出击薛延陀。回纥首领在唐军的支持下，大败薛延陀，其部众遂南过贺兰山直抵黄河，回纥拨野古、仆骨、多滥葛、阿跌、斛薛等各部遣使至灵州相会。唐太宗贞观二十年（646年），唐太宗亲赴灵州，大会突厥、铁勒、回纥、吐谷浑等少数民族首领。诸少数民族“咸请至尊为可汗。于是北荒悉平，为五言诗勒石以序其事”。唐太宗至灵州时，铁勒诸部落的俟斤、颉利发等所遣使人陆续到灵州的数千人请尊唐太宗为天可汗。太宗从其请，并写五言诗，一首内有“雪耻酬百王，除凶报千古”之句，勒石立于灵州，以纪其功。
唐高宗调露元年（679年），在灵州境内以南设置宥州以安置来降的突厥人，设鲁、丽、含、塞、依、契六州，即史书里记载的“六胡州”。与缘州不同的是，宥州六州以唐朝官员为刺史，自治的权限相对缩小。六胡州，是为降附之突厥而设，后来西域的康国人也入住这一地区。唐人李益有诗：“圣君破胡为六州，六州又尽为胡丘。”说明进入灵州的少数民族已经不少。六羁縻州的人口，据《旧唐书·地理志》载，燕然州190户、978口，鸡鹿州132户、556口，鸡田州104户、469口，东皋兰州1342户、5182口，燕山州430户、2176口，烛龙州117户、353口，共计2315户、9714口。贞观二十年（646年），薛延陀部为唐所败。之后，铁勒诸部内附。第二年，唐政府设立六都督府及七州，其中以浑部置皋兰州。武后时期，浑部又一分为二，一部分留在甘、凉间，一部分迁于灵州。开元元年（713年），为迁入灵州的铁勒浑部立东皋兰州，侨治于鸣沙。此后，还有铁勒部迁入宁夏，主要在北部灵州都督府辖境内。20世纪90年代，在宁夏青铜峡市境内玉泉营农场出土有唐代铁勒人墓志，为研究唐代民族迁移提供了珍贵史料。据《新唐书·地理志》，在灵州都督府下的回纥羁縻州有：燕然州，隶属于燕然都护，侨治回乐；侨治回乐者，除燕然州外，还有鸡鹿州、鸡田州；侨治鸣沙者有东皋兰州；侨治温池者有烛龙州、燕山州。东皋兰州即原来的皋兰州，回乐、鸣沙、温池皆当时灵州所辖县。咸亨二年（671年），凉州的吐谷浑诺曷钵部落移居鄯州后，不安其居，又因鄯州地方窄小，不久再徙于灵州之境，置安乐州，以诺曷钵为刺史来管理事务。
安史之乱后，河、陇陷入吐蕃。徙党项民族所存者于灵、庆、银之境，灵州是重要地区之一。党项民族开始入居灵州。贞元二年（786年），吐蕃攻占灵州以东的银、夏等地区，宁夏境内的盐州一度成为吐蕃人屯驻的地方。宁夏，特别是灵州，成为防御吐蕃的前沿。692年，有党项羌内附者20万人，唐政府设朝、吴、浮、归等10州以处之，其地在灵、夏之间，即今宁夏、陕西横山一带。
唐广德元年（763年），吐蕃军乘机攻陷河、陇地区，攻占原州、秦州、安乐州（今同心下马关）和木峡、石峡、制胜、木崝、石门、驿藏、六盘等原州7关。从此，上述地区落入吐蕃之手长达80余年。吐蕃军长驱直入，占领长安。15天后，吐蕃军退屯原州、会州、渭州等地。郭子仪从叛军仆固怀恩手中收复灵州后，吐蕃军对宁夏北部地区进行轮番进攻。郭子仪率大军会同回纥，大破吐蕃军，并收回掠去的妇女4000人，获马、牛、羊、驼等牲畜不计其数。大历三年（768年）八月，吐蕃10万大军进攻灵州，吐蕃大将尚悉摩攻邠州，邠宁节度使马璘领兵将其击破，破吐蕃军2万余众。九月，吐蕃军又攻灵州，为朔方骑将白元光领兵击败。继之，白元光又破吐蕃军解灵州之围而去。大历六年（771年），吐蕃军攻陷青石岭，屯兵朝那城，旋即退出。大历年间（766～779年），吐蕃军频繁围攻灵州，唐军和吐蕃军之间的战斗互有胜负，虽有郭子仪、马璘、浑瑊等名将镇守，但朔方军镇实力已大不如前。吐蕃军频繁进攻，首先是掠夺人口，其次是进行破坏，在灵州一带破坏水利设施和营田，使汉渠、御史、尚书等渠道毁坏堵塞。
唐建中四年（783年），唐蕃于清水（今甘肃清水）结成会盟。此后不久，吐蕃军便毁约进攻唐境。唐将朔方士兵屯于邠、宁、庆州，于方渠（今甘肃环县西北）、马岭等县选择险要之地设置烽堡，以确保环庆路安全。北部灵州地带，虽屡遭攻击，但吐蕃军未能攻陷。吐蕃军事行动，只能绕过灵州，进攻盐、夏等地。贞元三年（787年），吐蕃宰相尚结赞攻陷盐、夏等州后，每州只留守千余人，尚结赞则率大军屯兵于灵州西南的鸣沙。唐大臣崔浣到鸣沙与尚结赞会见，谴责吐蕃违约攻盐、夏州的行为。吐蕃军攻陷盐、夏等州以后，再次与唐会盟。唐会盟使侍中浑瑊与吐蕃宰相尚结赞会盟于平凉川时，吐蕃军伏兵万人劫盟，副使崔汉衡以下军官60多人被俘，浑瑊只身回京。吐蕃军趁机占据原州并以此为据点，向四周掠抢。唐以会盟失利为由，罢免马璘、浑瑊二将兵权，朝廷陷入一片混乱。吐蕃军于该年十月修筑原州城，并屯兵据守。大中三年（849年）一月，吐蕃内乱，宰相论恐热愿以秦、原、安乐3州和石门等7关归唐。唐廷命灵武节度使朱淑明等各率本道兵马前往接收。六月，泾原节度使康季荣接管原州和石门、驿藏、木峡、制胜、六盘、木崝、石峡等关，邠宁节度使接管萧关，灵武节度使朱淑明接管长乐州，李钦接管安乐州。至此，宁夏全境重归唐朝。