O Império Russo introduziu um sistema de administração e construiu uma série de fortes e acampamentos militares, em seu esforço para estabelecer sua presença na Ásia Central durante o "Grande Jogo" contra o Reino Unido. A primeira fortificação russa, Orsk, foi construída em 1735. A Rússia colocou em prática o ensino do russo em todas as escolas e organizações governamentais, o que acabou provocar o descontentamento aos cazaques a tal ponto que, na década de 1860, a maioria da população rejeitava abertamente a anexação do território pela Rússia devido ao profundo distúrbio que a invasão causara ao estilo de vida nomádico tradicional e na economia baseada na criação de animais domésticos, e a consequente fome que estava eliminando muitas das tribos. O movimento nacional cazaque, iniciado no final daquele século, procurou preservar o idioma e a identidade nativa através da resistência aos esforços do Império Russo em assimilá-los ou reprimi-los.
Da década de 1890, em diante grandes números de emigrantes eslavos começaram a colonizar o território do atual Cazaquistão, em especial na região de Semirechye. O número de colonos aumentou ainda mais depois que a Ferrovia Trans-Aral, de Oremburgo a Tashkent foi completada em 1906, movimentação esta encorajada desde São Petersburgo pelo recém-criado Departamento de Migração (Переселенческое Управление).
A disputa por terra e água que se seguiu, entre os cazaques e os recém-chegados, causou um grande ressentimento contra o governo colonial durante os últimos anos da Rússia Czarista, com o distúrbio mais sério ocorrendo em 1916. Na "Revolta dos Basmatchi", como ficou conhecida, os cazaques atacaram aldeias russas e cossacas, matando indiscriminadamente; a vingança dos russos foi impiedosa. Uma força militar afugentou cerca de 300 000 cazaques para as montanhas ou para a China. Quando, no ano seguinte, aproximadamente 80 000 deles retornaram, foram massacrados pelas forças czaristas. Durante a grande fome de 1921-1922, milhões de cazaques morreram de inanição.
Embora tenha ocorrido um breve período de autonomia (Autonomia Alash) durante o período tumultuoso que se seguiu ao colapso do Império Russo, muitas revoltas foram reprimidas brutalmente, e os cazaques acabaram sucumbindo ao jugo da União Soviética. Em 1920, a área do atual Cazaquistão tornou-se uma república autônoma dentro da Rússia.
A repressão soviética da elite tradicional, somada à coletivização forçada das décadas de 1920 e 1930, trouxe fome e instabilidade.[21] Entre 1926 e 1939 a população do país diminuiu em cerca de 22%, devido à fome, violência e emigração em massa. Durante a década de 1930, diversos escritores, pensadores, poetas, políticos e historiadores cazaques de renome foram assassinados sob ordens de Josef Stalin, tanto como parte da repressão quanto como um padrão metódico de supressão da identidade e da cultura cazaque. O domínio soviético tornou-se mais firme, e um aparato comunista rapidamente procurou integrar o Cazaquistão ao sistema soviético. Em 1936 o país se tornou uma república soviética.
O Cazaquistão experimentou um influxo populacional de milhões de exilados de outras partes da União Soviética, durante as décadas de 1930 e 1940; muitas das vítimas de deportações foram mandadas à Sibéria ou ao Cazaquistão meramente por sua herança étnica ou seus credos, e foram, em muitos casos, internados nos gigantescos campos de trabalhos forçados. A República Socialista Soviética Cazaque contribuiu com cinco divisões militares aos esforços da União Soviética na Segunda Guerra Mundial. Em 1947, dois anos após o fim da guerra, foi iniciada a construção d'O Polígono, a principal área de testes de bombas nucleares da União Soviética. O local fica próxima a cidade de Semey.