Период фактического присоединения Казахской степи и введения системы колониального управления приходится на 30—60-е годы XIX века. В 1831 году была проведена новая административная реформа в Младшем жузе. Прилегающие к пограничной линии кочевья разделили на 32 дистанции во главе с начальниками из старшин и султанов, назначенных правительством. К 30-м годам относится и введение кибиточного сбора. В связи с такой системой налогообложения общая численность казахского населения в те годы может быть определена только приблизительно. По подсчетам В. М. Кабузана, в 1833 году в пределах России казахов насчитывалось около полутора миллионов человек, а их удельный вес в составе всего населения составлял 2,31 % (в 1897 году 4084 тысяч человек, то есть 3,18 %).
В эти годы в степи усиливается строительство укреплений. В результате экспедиции Г. С. Карелина на восточном берегу Каспия основано Ново-Александровское укрепление. Планируются создание Сырдарьинской линии укреплений и строительство в связи с этим форта на западном берегу Аральского моря. Ответом на эти действия русских властей стало самое крупное антиколониальное движение казахов Среднего жуза в 1837–1847 годах под руководством султана Кенесары Касымова (сына Касыма и внука хана Аблая, провозглашенного ханом Среднего жуза в 1841 году). Касымову, власть которого признали 33 казахских рода, удалось образовать довольно эффективную систему управления. В 1846 году, теснимый русскими отрядами, он перешел на территорию Старшего жуза, а весной 1847 года вторгся в Киргизию, где и был убит. Тем временем продолжалось строительство новых фортов по Иргизу и Тургаю (Уральское и Тургайское укрепления в 1845 году). Так происходило реальное подчинение Младшего и Среднего жузов.
При Николае 1 начинается присоединение и земель Старшего жуза, в районе озера Балхаш. Приняли российское подданство казахи, кочевавшие в районе Копала (1845 год). В 1846 году в состав России вошла юго-восточная часть Казахстана до реки Или (часть Семиречья — территории между озерами Балхаш на севере, Алаколь на северо-востоке, Джунгарским Алатау на юго-востоке и Тянь-Шанем на юге). В том же году на другом направлении русские отряды достигли Аральского моря и устья Сырдарьи. На Аральское море из Оренбурга были доставлены суда «Николай» и «Константин», положившие начало Аральской военной флотилии. В 1846 году было построено Ново-Петровское укрепление, в 1847-м — Раимское, в 1848-м — форты Кара-Бутакский и Кос-Аральский.
В 1853 году В. А. Перовский, пользовавшийся особыми полномочиями и поддержкой императора и не особо считавшийся с инструкциями Министерства иностранных дел, захватил кокандскую крепость Ак-Мечеть на Сыр-Дарье (впоследствии Перовск и Кзыл-Орда). Следствием этого стало создание оборонительной линии по Сырдарье. В 1854 году из Семипалатинска отряды Перовского перешли реку Или и в южной части Семиречья у подножия Алатау основали укрепление Верное (будущий город Алма-Ата, ныне Алматы). По новому административному делению, принятому в том же году, территория, подвластная прежде Пограничному управлению, была поделена на Область сибирских киргизов (казахов) с областным правлением и Семипалатинскую область. В Семиречье переселялись сибирские казаки, семипалатинские татары, русские крестьяне и немцы-колонисты. Южная часть Казахстана, подвластная кокандскому хану, была присоединена к России уже при Александре II в 1860-х годах. Тогда же пришло время активных военных действий и против государств Средней Азии.
В 1801 году одним из последних указов Павла I некоторые султаны Младшего жуза, возглавляемые Букеем Нуралиевым, а затем его сыном генералом Джангиром Букеевым, получили разрешение переселиться на запад от реки Жаик (Урал) и занять земли волжского левобережья. Осев в Нарым-песках, они образовали между Уралом и Волгой Букеевскую орду. В 1836–1838 годах в Букеевской орде произошло антифеодальное восстание, вызванное нехваткой летних кочевий, которое возглавили аульный старшина Исатай Тайманов и поэт Махамбет Утемисов. По воспоминаниям чиновника Министерства государственных имуществ Л. Ф. Львова, «Внутренняя Киргизская (Казахская. —
