与此同时。沙俄军队从塞米巴拉金斯克向南进，1847年，沿爱古斯河南侵，偷偷在巴尔喀什湖东南中国境内勒布什河和库克乌苏河之间建立科帕尔城堡。1851年起俄国乘清政府内外交困。阿尔泰山地区秩序混乱之机，侵入鄂布河上游察那斯河、哈屯河、毕亚河一带，并逐步向阿尔泰腹地、额尔齐斯河上游推进，想把中国的内湖斋桑泊据为己有。

由于当时的咸丰皇帝听从杏贞的建议，对此采取了有力的防范措施。才使俄国侵吞斋桑湖的计划没有实现。但在1854年夏占领了天山北麓吹河与伊犁河之间的古尔班阿拉木图，在古尔班阿拉木图附近建立了维尔内城堡。同年10月，将科帕尔堡和维尔内堡划入新建的隶属于西西伯利亚的塞米巴拉金克斯省，擅自将中国巴尔喀什湖（当时为中国第一大湖）以东以南的地区划入俄国的版图，并继续向东将其势力扩张到伊赛克湖（当时为中国第二大湖)一带。1856年把维尔内堡作为新成立的阿拉塔夫州首府，形成另一条包抄哈萨克草原，进攻中亚诸汗国的碉堡线，即当时大部分位于中国境内的西伯利亚线。

相对于东北地区来说，太平天国在西北地区的用兵起步相对较晚，太平天国翼王石达开部十余万翼殿大军在1860年挺进青海、新疆之后。迅速扫平了当地的反对势力，然后在1861年初开始进攻俄国在中亚的碉堡线。

翼王在新疆等地也实施了太平天国的新政，在刺刀和新政的双重压力下，新疆等地很快平稳下来，当然这当中少不了各族融合之时的历史阵痛。随后翼王石达开秉承了西殿的做法，对一切可以联合的反俄势力进行了联合，他在新疆等地征召了数万名当地各族组成的联军参与对俄战争。十余万翼殿大军加上新疆当地新组建的军队，太平天国集合了将近二十五万大军发动对中亚的大举进攻。

二十五万大军对于中亚的俄军来说是相当致命的，整个哈萨克草原外部的碉堡线在数个月的时间里遭到太平军多路的进攻，然后石达开联合哈萨克草原上诸多被俄国人入侵的汗国和部族一起对抗俄军。在1861年4月至1862年3月间。俄国人的进攻线被迫退回到1847年以前的出发阵地，损失兵力高达十二万，加上此前他们征服中亚地区时候各地民众的反抗，俄国人损失人口高达数十万之巨。