Человек на территории Южного Казахстана появился в период раннего палеолита. Это важный этап в развитии истории человечества. Памятники этой эпохи представлены стоянками, мастерскими, отдельными находками каменных орудий. Основная часть их сосредоточена в районе хребта Каратау. В Отрарском районе к периоду позднего мустье относится местонахождение Аксу–Арысь. В эпоху среднего палеолита (мустье) наблюдается переход к более прогрессивному способу обработки камня. В эпоху мезолита (среднекаменного) и неолита (новокаменного века) произошли существенные сдвиги во многих областях производства и в жизни человека. Человек изобрел лук, освоил технику пиления, сверления и шлифовки камня, научились делать микролиты - миниатюрные пластины для вкладышевых орудий. Появились новые виды каменных орудий – топоры, мотыги, зернотерки. К этой эпохе относятся стоянка Маятас, местонахождение Жаначилик 1, 2, 3 в Отрарском районе.
В середине II тысячелетия до н.э. племена Казахстана овладели производством бронзовых изделий. Бронза становиться основным сырьем для изготовления орудий труда и оружия. Еще в начале II тысячелетия до н.э. у степных племен формируется комплексное скотоводческо-земледельческое хозяйство. Быстрое развитие скотоводства и металлургии, этих двух главных направлений экономики эпохи бронзы, требовали, прежде всего мужского труда, что привели к усилению роли мужчины в обществе и в конечном счете – к смене материнского рода отцовским (патриархат). В конце II и в начале I тыс. до н.э. на территории Казахстана менялся климат, он становился засушливым. Уменьшились площади естественных водоемов, что ограничило, а в некоторых районах и резко сократило распространение земледелия в поймах больших и малых рек. В этих условиях для большинства населения степных районов Казахстана единственным направлением экономики был переход к кочевой и полукочевой формам скотоводческого хозяйства.
В последних веках до нашей эры и в первых веках нашей эры районы Средней Сырдарьи составляли часть кочевого владения Кангюй. Имеются достаточные основания считать кочевых «кангюйцев» прямыми потомками сако-массагетских племен предшествующего периода. В то же время выявлены материалы, указывающие на реальное пребывание в долине Сырдарьи хуннов. Именно на периферии Отрарского оазиса, по левую сторону от современного русла Сырдарьи, в районе древнего русла Сырдарьи выявлено городища Шаншар-Асарчик и Аккорган. Примечательна планировка городища, имеющая четкие геометрические очертания, со следами четко читаемых башен в микрорельефе. Подъемная керамика с городища относится к І в. до н.э.
552 г. в Центральной Азии (в районе Алтайских гор) возник могущественный Тюркский каганат. Со временем под власть Тюркского каганата было включено владение Тарбанд, которое состояло из следующих исторических районов - Исфиджаб, Отрар, Шавгар, Тараз, Шаш. Отрар в памятниках древнетюркской письменности был известен как Кангу Тарбан и представлял военно-политический центр указанной исторической области. В Отраре находились наместники кагана – верховного правителя Тюркского государства. Отрар чеканил собственную монету, на одной стороне которой было изображение местного правителя с супругой, на некоторых изображение льва, на обратной стороне - вилообразный знак. С 640 г. правители владения Тарбанд носили титул тудун, что свидетельствуют о происхождении их из рода тюркских каганов. По данным источников наместниками указанной исторической области Средней Сырдарьи были Шаболо Шэху (Ишбара ябгу), Ган тутунь (Тон тудун, 658 г.), Мохэду тутунь (Бахадур тудун, 713-740 гг.), Инай тутунь Кюеле (Инай тудун Кюлюг; 741 г.).
VIII век внес большие изменения в историю Отрара. В Казахстан пришел ислам - одна из мировых религий. По данным ал-Балазури полководец арабов Кутейба в ходе похода на Шаш 712-713 г. доходит до Исфиджаба (г. Исфиджаб локализуется на месте городища Сайрам). В ходе походов мусульман вдоль Сырдарьи в 737 и 739 гг. под предводительством Абд ар-Рахим были захвачены Суткент и Зернук. В районе Суткента войска переправились на правый берег и добравшись до Отрара захватили центр оазиса. Согласно данным «Насаб-нама» далее были захвачены Караспан (округ в районе среднего течения Арыси), Сайрам, Сауран.
Согласно сочинению, Ибн Халикана «Даты кончин знаменитых людей и сведения о сынах времени» (ХІІІ в.): «Абу Наср Мухаммад б. Мухаммад б. Тархан б. Аузалаг ал-Фараби, тюрок, известный мыслитель, создатель сочинений по логике, музыке и прочим наукам. Он величайший философ мусульман, и никто не достиг его уровня в его науках. Глава мыслителей Абу али Ибн Сина – достиг мастерства и сделал собственные произведения полезными благодаря книгам [Абу Насра] и подражанию его стилю. Он (Абу Наср) был тюрком и родился, и вырос в своей стране ... потом он отправился в Багдад, он знал тюркский и еще ряд языков, но не арабский. Принявшись изучать арабский язык, он в совершенстве освоил его и потом занялся науками мудрости». «аль-Фараби означает принадлежность к городу Фарабу, ныне называемому Отрар. Этот город за Шашем и в близи города Баласагун. Это один из столичных городов тюрок».
В Х в. Отрар был захвачен саманидами. Чекан монет в Барабе (Фарабе) 922-23 г. от имени саманидского эмира Насра ІІ б. Ахмада являлся демонстрацией, долженствующей подчеркнуть вхождение этого района в состав государства Саманидов. На монете указано имя вассального владетеля-Али. В конце Х в. пало государство саманидов, их владения перешли к караханидам, которые подчинили всю Среднюю Азию. Отрар стал одним из уделов караханидского государства. В сочинении Сафи ад-дин Орын Койлакы «Насаб-нама» приводится список правителей-караханидов Отрара. «Кылыч Арслан хан пришел в Отрар и правил 40 лет. Его сын Исмаил хан. Его сын Илиас хан. Его сын Ахмад хан. Его сын Санжар хан. Его сын Хасан хан. Его сын Мухаммад хан, его лакаб Билге хан. Его сын Дадбек хан. Его сын Абд ал- Халик хан. Все они правили в Отраре. Пришел султан Ургенча Мухаммед султан, убил Билге хана». По мнению нумизмата Б.Д. Кочнева, последним караханидским правителем Отрара являлся Шамс ад-Дүнйа ва д-Дин (он же Тадж ад-Дин) Кутлук Билга-хакан Хасан б. Абд ал-Халик. Он пришел к власти 590-600 гг. по хиджре и был убит 607 г. по хиджре (1210-11 г. современного летоисчисления). В период правления Караханидов происходит расцвет Отрара. Отрар стал крупным городским центром с развитой структурой, включающей шахристан с цитаделью общей площадью 16 га и рабад площадью около 200 га.
Осада города Отрара в 1219-1220 гг. монгольскими войсками описана в сочинениях современников. В середине ХІІІ в. начинается возрождение города. В Отраре чеканят золотые, медные, посеребрённые дирхемы. Периферия застраивается усадьбами, жилыми массивами, мастерскими различного профиля, банями. Являясь крупным экономическим центром, Отрар на протяжении ХІІІ и ХІV вв. оставался городом, за право владения, которым шла постоянная борьба между джучидами и джагатаидами. В первые десятилетия ХІV в. им владели джучиды. «Аноним Искандера» сообщает о хане Ерзене, что «он был царем крайне умным, праведным, превосходным, богобоязненным. Большая часть медресе, ханака, мечетей и прочих благотворительных учреждений, которые находятся в Отраре, Сауране, Дженде и Барчкенде, устроил он». Находки изделий импортного происхождения свидетельствуют о широких международных связях Отрара. Он становится важным торговым городом Монгольской империи на Великом Шелковом пути из Европы в Китай.
Археологические раскопки в районе юго-западных ворот привели к обнаружению остатков башен, ворот, подпорок моста и караульных помещений. Построенные в ХІІІ веке ворота укреплялись при каждом новом правителе. Местоположение более ранних ворот пока не обнаружено. На месте более раннего рва в XIV веке были возведены караульные помещения. Выступающие за линию башни, одним концом подпирают ворота, другим концом соприкасаются с караульными помещениями. Последние соединяются с крепостной стеной шахристана. Башни и ворота от основания до отметки 4,1 м сложены из обожженого кирпича 27,5х27,5х6 см. Вышележащие конструкции были сложены из сырцового кирпича. В XIV-XV вв. после того как юго-западные ворота перестали функционировать на данном месте возникло кладбище. Позже, XV-XVI веках здесь возникли жилые дома и мастерские.
Джума-мечеть XIV века в Отраре связана с типом колонно-купольных сооружений, известными в средневековой архитектуре Средней Азии. Размер мечети составляет 72 x 22 метра. Башни установлены по обеим сторонам входных ворот. В западной башне расположено высокое высотное кольцо. Во время раскопок были выявлены много мозаичных керамических плит. ХVІ в. заново застраиваются заброшенные участки шахристана. К этому времени относится постройка монументальной мечети из жженного кирпича, располагавшейся в южной части центрального бугра. Сооружение столпно-купольного типа, построенного на фундаменте, заглубленном на 0,4 м.Общая длина мечети остается неизвестной. Ширина мечети 15,5 м. Мечеть Отрара являлась соборной с обширной площадью перед мечетью.
В IX-XV вв. в городской застройке появляются такие общественные сооружения, как бани. На территории рабада Отрара раскопками обнаружены две ранние и одна монголо-тимуридского времени общественные бани. Если одна из них располагалась в северо-западной части города вблизи крепостной стены шахристана, то вторая располагалась на месте бани XIII-XV вв. Последняя состояла из раздевалки, помещения для отдыха, массажной, паровой, центрального зала, помещения для мытья. В ряде помещений для выкладки полов использовались глазурованные кирпичи и плитки. Водоснабжение бани осуществлялось при помощи водопровода, выведенного из водохранилища. Ряды труб были уложены в подземной галерее. Отрарская баня обогревалась топкой, от которой отходил жаропровод, затем системой столбиков и направляющих стенок жар разделялся на потоки, обогревавшие полы всех помещений. Дым выводился через вертикальные дымоходы, проложенные в толще стен. Они служили одновременно регуляторами температуры.
Раскопки Отрара позволили выявить и исследовать места концентрации гончарного ремесла в XIII-XV вв. как в центральной части города, так и в предместье. Для этого времени характерно сочетание ангобного покрытия и цветной поливы. Ангобы – красный, желтый, розовый. Полива прозрачная и окрашенная в желтый, зеленый, розовый, голубой, синий цвета. Орнамент растительный, геометрический, эпиграфический. Поливная керамика ХV-XVI вв. Отрара имеет сходство с керамикой Ташкента, Самарканда, Ургенча, Бухары. Однако на местной керамике имеются знаки в виде тамг. В юго-восточной части города выявлена гончарная слобода площадью 2 га. Выявлена 2 строительных горизонта. Нижний датируется временем 2-ой половины ХІІІ – 1-й половины XІV вв. Верхний строительный горизонт датируется временем 2-ой половины XІV- первой половиной XV вв. Печь для обжига керамики, расположенная в северо-восточном углу помещения, 2-ярусная. Жилой комплекс мастерской – это 2-х комнатный дом с двором анфиладной планировки.
Яркие образцы древнего казахского ювелирного искусства найдены в большом количестве при археологических раскопках городища Отрар. В ранних слоях городища найдены женские украшения: круглые бляшки и разнообразные браслеты, детали одежды. Имеются бусины из сердолика, стекла и пасты, выполненные на высоком техническом уровне. Часто встречаются заготовки из рогов животных. По этнографическим материалам известно, что из рогов изготавливались множество изделий для бытовых нужд. Из костей лошадей, коров изготавливались шумеки, иглы. Встречаются костяные напрясла, накладки рукояти ножей, пуговицы, а также кольца.
Расположение Отрара на важной географической точке обусловила развитие торговли в городе. Известно, что в древности основные торговые артерии проходили вдоль крупных рек. Отрар расположен на правом берегу Сырдарьи, вблизи места впадения Арыси, напротив удобного перевала через хребет Каратау, т.е. на перекрестке караванных путей. При раскопках некрополя Кокмардан ІІІ – V вв. найдены янтарные бусы. Янтарь производился в основном в Прибалтике или Карпатско – Днепровском регионе. Некоторые сосуды с триподами близки к китайским изделиям. Резные геммы, найденные в Отраре, указывают на торговые связи с Ираном. О других направлениях внешней торговли свидетельствуют артефакты, найденные в Отраре. Это монеты ихшидов Согда, тюркских правителей Ферганы, китайской династии Тан и Бухары VІІ в., древнетюркские монеты Чача конца VII – начала VIII в.
В начальный период средневековья вокруг Отрара располагался большой хозяйственный район, ряд поселений-спутников. Для посевов, где выращивали зерно, просо, рис, ячмень, и которые располагались рядом с поселениями были прорыты каналы для вывода воды из рек. Археолого-топографическое изучение остатков оросительных сооружений с привлечением материалов аэрофотосьемки свидетельствует, что в период раннего железа на берегах Сырдарьи и Арыси получила распространение лиманное орошение (середина І тысячелетия до н.э. - І-VІ вв. н.э.). VІІ-ІХ вв., в период зарождения и развития раннесредневековых государств и городов, характеризуются постепенным переходом от лиманных форм к самотечному паводковому орошению. В слоях памятников VII-VIII вв. Отрарского оазиса были выявлены просо, хлопок и остатки пшеницы. Основная посевная площадь варьируется между памятниками Отрартобе - Kуйрыктобе – Алтынтобе - Куюкмардан. Также в этой области были выявлены сотни особняков. В VII-XVIII вв Отрарский оазис был снабжен водой через ирригационных систем Тостаган, Дуртобе, Кокмардан, Сангыл-Арык, Кауган-Арык, Ак-Арык, Алтын-Арык, Караконшек, Темирарык.
В конце ХV века между узбекскими, казахскими, могольскими правителями развернулась борьба за тимуридское наследие на среднем течении Сырдарьи. Казахское ханство вело упорную борьбу за присырдарьинские города с переменным успехом. В конце XVI века хан Тауекел овладел присырдарьинскими городами и Ташкентом. С этого момента Отрар окончательно отошел Казахскому ханству. Поливная керамика Отрара в эпоху Казахского ханства имела ряд отличительных черт. Чаши, блюда, легены и тагоры расписывались геометрическим, растительным и эпиграфическими узорами на синем и голубом, редко зеленом фоне, покрывались прозрачной глазурью.
В ХІ – ХІІ вв. Ислам занимает господствующее положение в Южном Казахстане. С этого времени исламские установления проникают во все сферы общественной жизни, что нашло отражение и в городских ремеслах. Появляются в большом количестве изделия из бронзы, серебра и керамики, украшенные арабской каллиграфией. Надписи, обычно являются благопожеланиями будущему хозяину изделия, встречаются отрывки из Корана, стихотворений. В большом количестве встречаются росписи, имитирующие арабскую вязь.