В 1555 году сибирский хан Едигер признал вассальную зависимость от Русского царства и пообещал платить Москве дань — ясак (правда, в обещанном объёме дань ни разу уплачена не была). В 1563 году власть в Сибирском ханстве захватилшибанид Кучум, который был внукомИбака. Он казнил хана Едигера и его братаБек-Булата.
Новый сибирский хан прилагал немалые усилия для укрепления роли ислама в Сибири. Хан Кучум перестал платить дань Москве, однако в 1571 г. прислал полный ясак в 1000 соболей. В 1572 г., после того как крымский хан Девлет I Герай разорил Москву, сибирский хан Кучум полностью порвал даннические отношения с Москвой. В 1573 г. Кучум отправил своего племянника Махмут Кули с дружиной с разведывательными целями за пределы ханства. Махмут Кули дошел до Перми, потревожив владения уральских купцовСтрогановых. В 1579 г. Строгановы пригласили дружину казаков (больше 500 человек), под начальством атамановЕрмака Тимофеевича, Ивана Кольцо,Якова Михайлова, Никиты Пана и Матвея Мещеряка для защиты от регулярных нападений со стороны Кучума.
1 сентября 1581 дружина казаков, под главным начальством Ермака, выступила в поход за Каменный Пояс (Урал), положив начало колонизации Сибири русским государством. Инициатива этого похода, по летописям Есиповской и Ремизовской, принадлежала самому Ермаку, участие Строгановых ограничилось вынужденным снабжением казаков припасами и оружием.
В 1582 году, 26 октября Ермак овладелКашлыком и начал присоединение Сибирского ханства к России. Потерпев поражение от казаков, Кучум откочевал на юг и продолжал оказывать сопротивление русским завоевателям до 1598 года. 20 апреля 1598 г. он был разбит тарским воеводой Андреем Воейковым на берегу реки Обь и бежал в Ногайскую Орду, где был убит. Ермак был убит в 1584 году. Последним ханом был Али, сыном Кучума.
На рубеже XVI и XVII веков на территории Сибирского ханства поселенцами из России были основаны города Тюмень,Тобольск, Берёзов, Сургут, Тара, Обдорск(Салехард). В 1601 г. на реке Таз, впадающей в Обскую губу, был основан город Мангазея. Тем самым открылся морской путь в Западную Сибирь (Мангазейский Морской Ход). С основанием острога Нарым была покорена Пегая Орда на востоке от Сибирского ханства.
В царствование Михаила Фёдоровича, первого царя из династии Романовых,казаки и поселенцы осваивают Восточную Сибирь. В течение первых 18 лет XVII века совершается переход русских на реку Енисей. Основываются города Томск(1604), Кузнецк (1618), Красноярск (1628) и др.
В 1623 году землепроходец Пянда проникает на реку Лену, где позднее (1630-е) основываются Якутск и другие городки. В 1637—1640 годах был открыт путь от Якутска к Охотскому морю вверх по Алдану, Мае и Юдоме. При движении по Енисею и Ледовитому океану промышленники проникли в устья рек Яны, Индигирки, Колымы и Анадыря. Закрепление Ленского (Якутского) края за русскими было закреплено постройкой Алексинского острога (1635 г.), Нижне-Колымска (1644 г.) и Охотска (1648 г.). В 1661 году был основан Иркутский острог, в 1665 году Селенгинский острог, в 1666 году Удинский острог.
В 1649—1650 годах казачий атаман Ерофей Хабаров достиг Амура. К серединеXVII века русские поселения появляются в Приамурье, на побережье Охотского моря, на Чукотке.
В 1645 году казак Василий Поярков открывает северное побережье Сахалина.
В 1648 году Семен Дежнёв проходит из устья реки Колыма в устье реки Анадырь и открывает пролив между Азией и Америкой.
В 1686 году в Нерчинске проведена первая плавка серебра из Аргунских или Нерчинских серебряных руд. Впоследствии здесь возникает Нерчинский горный округ.
В 1689 году заключается Нерчинский договор, начинается при граничная торговля с Китаем.