额济纳地区，秦朝时称“居延”“居延泽”（古居延海，又名京斯图淖尔，先秦时称流沙或弱水流沙，秦朝以后称居延、居延泽）。西汉初为匈奴辖地，居延泽附近一带，当时是河西地区与漠北往来的要道。西汉元鼎六年（公元前111年）时，居延地区属张掖郡。西汉太初三年（公元前102年），使强驽都尉路博德驻守居延，修筑外长城于居延泽上。修筑居延烽燧，北起居延滨，沿古弱水（今额济纳高勒河）南下抵鼎新以南，长逾250公里，建有殄北、居延、甲渠、州井诸塞及候宫。并置居延、肩水两都尉（亦有记载肩水为“休屠”都尉，治在武威北）。后改置居延属国。

据考古工作者发现，从甲渠候宫治所“破城子”（在今额济纳旗吉日嘎郎图嘎查呼钦浩特）遗址发掘出的万枚汉简看，西汉末年至东汉建武七年（公元前88年—公元31年）间，这里是汉朝“抵御匈奴，护卫河西走廊丝绸要道的屏障”。有记载，汉居延区域基本在额济纳绿洲范围内，“地处甲渠塞之东，殄北塞之南，州井塞之北，居延海之西”。在这个区域内有200个古代田舍的遗址和其他农作物遗迹。汉代泛称为“居延之区域”“居延属国”“居延城、遮虏障（城）以及居延候宫治所，皆在此内”。东汉安帝时置居延县，属张掖郡节制（1982年，居延遗址被国务院公布为全国重点文物保护单位）。建安末，改置西海郡。三国魏和西晋时，均置西海郡，治所居延，辖今额济纳地区，隶属凉州。