西汉时期，是西北地区移民实边的重要阶段。如果说秦始皇移民实边政策的实施是初创时期，那么，西汉则是历代移民实边的定型时期。
汉代的移民实边，已成为巩固边防的一项重大国策。西汉移民实边，其重点在西北地区，这是由当时匈奴对西汉边疆的直接威胁造成的。西北边境的安危，是历代王朝十分关注和忧虑的问题。西汉初期，西北边境依旧伴有战争的威胁。自公元前182年以后的50余年中，大规模的入侵就有30余次。汉文帝十四年（前166年）匈奴14万大军长驱直入，宁夏南部固原、关中北部的防御要隘萧关被攻破，北地郡驻守萧关的最高军事长官孙卬为国捐躯，西汉朝野为之震动。这是西汉初年匈奴侵扰西汉的大战役之一。这次战役使西汉政府看到了西北沿边军事防御的空疏，秦始皇时期移民实边的举措再次引起了西汉统治者的重视。晁错提出招募民众徙河套地区的建议，被汉文帝采纳。汉代边地驻防的人选一年一更换，防军所需粮饷一直都由内地调运，浪费很大。为了便于管理和控制募民迁徙西北，是以军事编制为主的。移民居则为民，出则为兵。这样，正如晁错所设想的一可解决“远方之卒，居塞一岁而更，不知胡人之能”的弊端；二可缓解千里运输的浪费和百姓沉重的徭役负担；三可寓兵于民，兵民一体，从而达到巩固边防的目的。这种做法，在历代都视为安边的良策而被仿效。同时，西汉政府大开马政，为战争准备工具，为军事储蓄力量。移民行动开始于汉文帝时期，汉文帝前元十一年（前169年），文帝派遣将领统领原属匈奴一支的义渠民族数千人戍边屯垦。到了汉武帝时，随着军事进攻的节节胜利，移民活动得以大规模展开。汉文帝时期徙民实边只是一个开端，并没有取得太大的成就，但却为武帝时期的进一步屯田拓边奠定了基础。
公元前133年开始，汉武帝开始对匈奴进行一系列的反击。汉元朔二年（前127年）正月，汉武帝派大将卫青、李息北击匈奴，“遂取河南地，筑朔方，复缮秦时蒙恬所为塞，因河为固”。又于公元前121年、前119年取得河西、漠北两大战役的胜利，北方局势得以稳定，河套地区成为西汉稳固的边防基地。汉武帝根据主父偃的建议，在河南置朔方郡，实行移民屯垦的政策。
宁夏地区初属北地郡，武帝元鼎三年（前114年），将北地郡划分为北地郡和安定郡。宁夏南北分属安定郡和北地郡。安定郡郡治为高平（今固原），在宁夏地区设6县：高平县、乌氏县（今固原南）、朝那县（今固原东南）、三水县（今同心东）、朐卷县（今中宁北）、月氏（又称月氏道，在今固原六盘山附近）。北地郡郡治由今甘肃宁县移至马岭（今甘肃环县），宁夏归北地郡所辖的有5县：朐衍县（今盐池附近）、富平县、灵州县（今灵武西北）、灵武县（今永宁县南）、廉县（今银川市北）。《汉书·食货志》载：“兴十余万人筑卫朔方……费数十百巨万。”之后便大量移民开发，元朔三年（前126年），“募民徙朔方10万口……屯垦备胡”。元狩三年（前113年）“徙贫民于关以西，及充朔方以南新秦中，七十余万口”，五年，又徒“天下奸猾吏民与边”。这几次大规模移民达80多万人，是对西北边疆最多的一次移民。其中北地郡属的宁夏东北部、南部固原地区是这次移民安置的主要地区之一，移民最少不下30万人，从而为宁夏历史上第一次大规模开发提供了必要的劳动力，使宁夏平原由牧业经济转向农业经济为主，牧业经济为辅的经济形态。不久，这里便成为西北的重点屯田地区，移民活动一直持续到西汉末年。对于移民生产生活费用，政府提供积极的资金和物质支持，政府对移民无偿提供生产资料如耕牛、农具、种子以及衣食、房屋等移民之初的生活供养，直到屯民能够自给。由于移民数量的增加，西汉政府设立专司垦殖开发的典农都尉主持移民屯垦工作，并筑上典农城（近永宁县境内），南典农城（今吴忠市境内），北典农城（今银川市境内），典农都尉的设立和典农城的修筑，说明宁夏境内移民屯垦的数量已经达到相当的规模。
西汉政府随后又根据需要，命令军队据点屯垦，战守兼备，改民屯为“军屯”制。利用军士屯田，使其自耕自养，从民屯发展到军屯，不仅是我国屯田史上的进步，也是军事史上的创举。《史记·匈奴传》记载：“汉渡河自朔方以西至令居（今甘肃永登县），往往通渠置田，官吏卒五六万人”，元鼎六年（前111年），“上郡、朔方、西河、河西开田官，斥塞卒六十万戍田之”。一年中增加60万军队戍边屯垦，其规模之大实属历史之最。随着汉军越河而西，屯田逐渐从河东扩展到整个平原。其中安定郡属的朐卷县（今中宁县东北河南地），北地郡属的富平县（今吴忠市利通区南），灵州县（今灵武市西北），灵武县（今永宁县南），廉县（今贺兰县地区），方渠县（今平罗县境）皆为屯田据点。此时，宁夏相继开凿了河东的汉（伯）渠和河西的汉延、光禄（唐徕）等渠，保证了屯田用水。汉宣帝时，后将军赵充国提出“屯田奏”，详陈屯田制的“便宜十二事”，称“内有亡费之利，外有守御之备”。西汉在宁夏垦殖100多年，由于农业生产的发展和人口的增殖，使宁夏从原来单一的游牧区，逐渐转为农业定居区。此时宁夏的人口发展出现欣欣向荣的景象，《汉书·匈奴列传》称：“人民炽盛，牛马布野。”在宁夏东北部，移民在很大程度上构成了当地的主要成分。到了西汉末年，生存在宁夏南北地域上的关东移民及移民后裔，在经历了近百年的发展后，人数已经不少，《中国人口·宁夏分册》根据《汉书·地理志》有关资料的推算，认为西汉元始二年（2年）宁夏人口接近10万。他们带来的先进生产技术，使宁夏南北的农业得以快速发展。这一时期，南部以安定郡（固原）为中枢、北部以北地郡（灵州）为中枢，北方边境相对平稳，民屯与军屯都取得了很大的成就，是宁夏历史上发展的最好时期之一，呈现给世人的是一派农业与畜牧业兴旺发达的安定局面。同时，中原农作物栽培技术在宁夏得到了广泛传播和发展。汉成帝时命冯参为上河（今宁夏永宁）农都尉。上河城，为冯参出任农都尉主屯田时所筑，是郡一级屯田主管机构。这是西汉早期在宁夏平原设置的屯田点，也是汉代宁夏平原屯田的典型模式。这一时期，安定郡所属的北部朐卷县，也是北部黄河岸边的屯田县，同样设有屯田。汉元帝时粮食产量已经有相当的数量，当时被称为“仓城”的“上河三城”（上河城、南北典农城）的原址大致就在今永宁、青铜峡和银川地区，并且还曾调粮接济内地，这说明宁夏的农业发展到相当的水平，而这当然是因为大量移民的进入所导致的。今宁夏境内汉墓遗址不仅范围广，而且数量多即是这一情况的极好证明。宁夏汉墓分布遍及宁夏全境，出土有生铁农具、陶器、青铜器和玉石饰品，在贺兰、中卫、吴忠等地都发现了汉代城址，其中在固原南郊的汉代城址中，还发现了陶水井和陶排水管道，这说明当时的经济发展水平和城镇发展水平，也说明了当时移民数量的巨大。对宁夏土地资源的利用，一方面必须补充足够的劳动力，另一方面还必须对充足的水源加以保证。历代中原王朝都十分重视水利设施的建设，依靠屯垦力量进行修渠、筑堰、排水等水利建设工程以改善生产条件历代都有。西汉时期宁夏的农业开发，是围绕兴修水利、垦殖农田进行的。后世有名可查的光禄渠、七级渠、汉渠、尚水渠、御史渠、高渠等古渠，其原始渠道均为汉代所建。宁夏平原由原先游牧经济，转变为以灌溉农业为中心并与草原牧业相结合的农牧经济，生产力大大提高。
西汉移民拓边政策的实施，加速了宁夏的开发过程，这从县级建制的增加即可看出，汉武帝元鼎三年（前114年），在将高平（固原）从原北地郡分出新置安定郡，辖21县（道）。至此，安定郡成为宁夏南部重镇。同时，宁夏北部所属的北地郡，由于北部移民与屯垦的不断推进，北地郡的治所也逐渐向北推移，至今甘肃庆阳县西北地区，辖19县。宁夏北部新增灵武、灵州、廉县3县。
灵武县，城治在典农城（今青铜峡市邵岗镇西），因灵武谷而得名。灵武谷，即贺兰山之灵武口。灵武县，辖黄河西岸的大片土地，应该是银川平原西岸南部最早的县级建制之一。廉县，城治在今贺兰县暖泉附近，辖黄河西岸以北的大片土地，北境与贺兰山相随，也是黄河西岸北部最早的县级建制。灵武、廉县，都是汉武帝拓边屯垦的产物。灵州县，设于西汉惠帝四年（前191年），是灵州中枢地位的体现。朐衍县依旧，仍在盐池县北花马池县境内。朐卷县，县治在今中宁县宁安镇境内。这是隶属于南部安定郡的最北端县治，也是历史上唯一打破南北地理空间隶属关系的一次地方政权建制。之所以将北部的朐卷县划归南部安定郡管辖，与汇入黄河的清水河及其通道有关。发源于六盘山，自南而北流入黄河的清水河，历史上就是连接宁夏北部并由关中通向塞外的通道。
经历了西汉边境地区相对平稳的年代之后，到了东汉时期，西北边疆又开始骚动，匈奴民族再次不断给边境地区带来威胁。不久，周边的羌族又不断的爆发起义，迫使沿边东汉政权内迁，南部固原的安定郡、北部灵州的北地郡政权建制内迁，羌族进入宁夏大部分地区。西汉以来移居在宁夏的移民，大批迁回内地。移民屯田，是国力强盛、边境相对安定时的产物，动乱状态下的移民屯田是无从谈起的。东汉末年，河西地区相对平稳，是政治、经济和文化较为稳定、富庶和繁华的地方，关中各个阶层上的人都设法离开长安投奔河西。东汉时期的宁夏，除了朝廷发配迁移到这里的各种犯罪人之外，没有像西汉那样集中迁徙一定数量的人来宁夏屯田，其中，较大规模的人口迁移是东汉初期，将投降归顺的卒百余万全部发配西北边疆，编入当地户籍，屯田戍守。建武二十六年（50年），政府下令将躲避战乱流移他乡的五原、朔方、北地等郡的百姓返回原居地，给予牛具籽种，使他们能够恢复农业生产。明帝永平八年（65年），下令赦免全国罪犯囚徒，使其携全家妻小迁徙朔方等郡参加屯垦开发。第二年，又下诏赦免死囚的刑罚，同样命令他们迁徙朔方等郡，由政府拨给田地，让他们在宁夏地区定居立业，这是宁夏平原设立罪屯最早的记载。汉安帝永初五年（111年），羌族起义，迫使北地郡迁往池阳（今陕西泾阳西北），安定郡迁往美阳（今陕西武功西南），东汉王朝失去对宁夏的统治，屯田事业受阻。直到汉顺帝永建四年（129年），羌族起义被平息，两郡才又迁回旧地。当时的尚书补射虞诩上奏朝廷说：安定、北地、上郡乃“禹贡雍州之城、厥田为上，且沃野千里，谷稼殷实”建议重开屯田，汉顺帝命郭璜督促百姓“各归旧县，缮城廓、置堠驿，继而激河浚渠为屯田……因渠以溉，用功省，而军粮饶足”。由于这一时期在宁夏平原重整水利，修复灌溉系统，又促进了宁夏屯田事业发展。然而不久后的永和六年（141年），羌族再次暴发起义，东汉政府又将北地郡迁往冯翊（今陕西高陵），安定郡迁往扶风（今陕西兴平）。此后，东汉王朝再无力恢复两郡政权建置，屯田事业自然终止。根据《中国人口·宁夏分册》的估算，东汉末宁夏全境人口不到23000人。宁夏平原变成匈奴、鲜卑、羌族的游牧地区。
秦汉时期，宁夏屯田已使用铁制农具与耕牛；农业水利开发已初具规模，农业生产离不开水渠，屯田已伴之以水利。徙民屯田，是先进的生产工具和兴修水利的有机结合，使得秦汉时期的宁夏地区粮食生产不断增多。汉将邓禹说北地、安定等地“土广人稀，饶谷多畜”，可“就粮养士”。汉顺帝时，尚书仆射虞诩认为安定、北地等郡，已是“沃野千里，谷稼殷积”，说明自宁夏屯田开发以来，得到了一定程度的发展，已显得富庶。汉代的移民屯田，是促进宁夏经济发展的推动力量。
