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西汉宣帝神爵二年（公元前60年）此地为车师后部王庭所在地金满城。永平十七年（公元74年），戊巳校尉耿恭屯田车师后部金满城，屯田士卒数百人。
两汉时，金满城（吉木萨尔）一带成为车师后国。
魏文帝黄初三年（公元222年）仍设西城长史和戊巳校尉（治所高昌）管理西域，并封车师后部王壹多杂为守魏侍中，号大部尉。使用魏的印信，和中原保持亲密的关系。
唐太宗贞观十四年（公元640年）讨平高昌后，经其地设庭州，发展成为天山北麓的政治、军事和文化中心，有重兵驻守。
贞观二十二年（公元648年），任命西突厥开国主室点密五世孙阿斯那贺鲁为瑶池都督府都督，称“可汗浮图”。
高宗永微四年（公元653年）贺鲁率众叛乱，显庆二至三年（公元658-659年）叛乱平定，随即撤销瑶池都督府，并在庭州设立金山都护府一起分管西域。
武后长安二年（公元703年）在此设北庭都护府，下辖金满、轮台、蒲类（后改后庭）、西海4县，与安西都护府以天山为界分疆而治。
景龙二年（708年）升为北庭大都护府，辖天山以北、巴尔喀什湖以东、以南，西达咸海广大地区的军政事务。后改北庭节度史，所辖瀚海军驻此，贞元六年（790）陷于吐蕃。
九世纪中期高昌回鹘王国建立后，称夏都，为其政治中心之一；又称“别失八里”，意为五城。
元代在此设别失八里行尚书省、宣慰司、元帅府。[1] 15世纪前期毁于战火。
清乾隆四十年（1775）在此曾经出土唐碑，嘉庆二十五年（1820）徐松曾调查城址，发现金满县残碑。
19世纪以后，英、日等国先后派探险队在此调查挖掘。
1928年，西北科学考察团对故城进行调查发掘。
1979～1987年中国社会科学院考古研究所进行调查发掘。
1988年，被中华人民共和国国务院公布为全国重点文物保护单位。
2010年，被批准为首批全国23个国家考古遗址公园之一。
2018年10月，被评为全国中小学生研学实践教育基地。
北庭故城遗址位于天山北麓，位于吉木萨尔县北庭乡的冲积平原上，南依天山博格达峰，北接准噶尔盆地，地理坐标为东经89°12‘43”，北纬44°05’52”，海拔485m，由东南向西北略倾斜。区内气候温暖干旱，年平均气温4—7℃，年均降水量约200—300mm，年蒸发量为1885.2mm。
北庭故城平面呈不规整的南北向长方形，南北长约1.5公里，东西约1公里。城池布局受唐长安城影响，分为内外两城，像个巨大的"回"字。内外城均有护城河、马面、敌台、角楼和城门。繁盛时的北庭城，官署衙区主要在内城，普通老百姓生活在外城，分为生活区和商业区。
外城始建于唐代初年，后经两次修补，周长4596米。南、北、西三面城垣尚存，墙基残宽5～8米，高3～5米，城垛（马面）处高10米，厚7米，均系夯土筑成。夯层平整坚实，厚约7厘米。四角原有角楼，西北角台基东西长25米，南北宽23米，残高约11.5米。护城壕宽30～40米，深2～3米。
北城城门保存尚好，门宽8米，瓮城的格局仍在。瓮城外侧又有一近似长方形的小城，为军事防御设施，俗称羊马城。外城城墙都系夯土版筑而成，夯层直接建于原生土上。夯层平整、坚硬结实，厚5～7厘米，局部厚达10厘米以上。
内城位于外城中部偏东北，约建于高昌回鹘时期，内城分两重，第一重南北长800米，东西宽600米；第二重边长各400米，内城周长约3千米，基宽3～4米，残高约2米。城墙均系夯筑，夯层建于原生土上，平夯，无夯窝，夯层厚10～15厘米，个别厚达20厘米左右。
内城北、西墙城门遗迹尚存。北门宽5.5～6米，左右台基有对称排叉桩槽，原为过梁式木构门洞。城墙外现存马面14个，间距50～70米。东、西墙中部各有敌台一座，东南、西北、西南角楼残基尚存，城壕宽10～30米，深1～3米。内城的里外两重城墙，其结构与外面相同，高度较外城池坚固险要。
在城西2公里处有高昌回鹘时期的王室寺院一座，是新疆天山北麓仅存的一座早期佛教遗址。地面以下是夯土台基，地面以上全部用土坯砌筑。平面呈长方形，南北长70.5米，东西宽43.8米，分为南北两部。北部为正殿，有大型佛像，殿外北、东、西三面有洞窟环绕。南部为庭院，东西有配殿僧房、库房。
清嘉庆二十五年（1820年），中国学者徐松此发现唐金满县残碑。
建国后曾对北庭故城遗址多次调查和测图，城内出土有陶器、土铜、铁器、钱币等。陶器以泥质灰陶为主，也有黑陶和红陶。主要为罐、瓮、盆等；有一双耳灰陶罐，一黑陶罐两件完整陶罐，和顶部带人头形纽盖子的陶棺一件。砖有莲瓣纹方砖、素面方砖及素面长方砖3种。出土的唐代瓦当均模制，大多为青灰色，火候较高，质地坚硬，当面径11.5—14厘米。基本上都饰莲花纹，纹饰与唐两京城出土唐代瓦当基本相同均为单瓣，不见复瓣莲花纹瓦当。土铜、铁器有铜镜、护身铜质立佛、铜钱、铜棒、铁剪等，钱币均为开元通宝。城西北隅出土有唐代铜质官印“蒲类州之印”和铜狮、石狮、葡萄纹铜镜、刻花石球、下水管道等。古城内有一大型的石磨盘，还有众多的马鞍形、桥形磨制石器，大型陶质容器，说明这里曾是一个规模大的屯粮基地。
西大寺第一次发掘所获陶器达53件，器型有瓮、盆、钵、碟、灯、纺轮等。出土的7块瓷片中青瓷片1块，属北宋耀州窑瓷片；月白瓷片2块、天蓝釉瓷片4块，均属金代钧窑瓷片。出土玉器24件，内有圭、珠、环等。出土日月光金1枚，正面镌汉文“日月光金”四字，背面镌少数民族文字。
西大寺的洞窟和配殿内塑有佛像。配殿和东面洞窟绘有壁画。用淡墨起稿，以铁线描为主，色调以红、赭、黄等色为主。位置配列、构图形式基本一致，主要为经变、供养、故事画和供养比丘、供养人等。其中一幅分舍利图保存较好，北侧是王者出行图，南侧为攻城图。壁画和塑像旁有回鹘文和汉文题名、题记。寺院遗址现已盖房保护，并设有文物保管所。
西大寺塑像是研究回鹘雕塑重要的实物资料，壁画有千佛、菩萨、供养比丘像，护法和经变故事等，画中有回鹘文和汉文题记，是研究新疆古代宗教、艺术、语言文字的珍贵资料。
其中“八王分舍利图”等壁画代表了回鹘佛教艺术的高水平。该寺在佛寺形制、塑像和壁画方面具有回鹘特点，尤其是佛寺的平面配置形制，尚未发现有与之完全相同的例证，为研究古代西域，尤其北庭地区的宗教、文化提供了宝贵的实物资料。
在故城中发现的一件陶棺，棺顶部有一个带人头形纽的盖子，对研究当时居住在这里的民族和风俗具有重要价值。
1979一1980年，社科院考古所曾对北庭西大寺进行抢救性发掘，清理出部分配殿和佛窟。
2006年修建西寺保护大棚时对本体西侧和北侧进行了局部清理，为防止施工期间墙体塌陷，对北侧和西侧采用原始的夯筑方法进行修补，增加墙体承重力。并对东侧佛龛及墙体进行加固保护。
2009年，北庭故城遗址保护围栏工程完工，整体测绘和土质分析以及天象观测等相关资料的采集分析已全部完成。将依附于文物本体上的房屋建筑以及会对文物本体造成损坏的建筑进行搬迁。把穿城而过的柏油路进行改道，将故城原先开放式的保护方式逐步形成一个全封闭式保护区域。
2010年起，西大寺遗址保开始了为期3年的护开发工程，总投资1900万元。
从2010年开始启动遗址公园建设，由国家和地方共同出资2.2亿元人民币。为保持遗址原貌，当地采用裂缝加固、裂缝注浆、洞顶加固、顶面冲沟整治等原始建筑工艺，为古城“强筋健骨”。
2014年，北庭故城的附属建筑北庭西寺本体加固项目于7月上旬开工，总投资约500万元。
