Арабские и персидские источники говорят о том, что карлукское объединение состояло из многочисленных родоплеменных групп. Арабский географ ал-Марвази (XII век) отмечает, что в состав карлукской конфедерации входило 9 племён. Наиболее крупные племена карлуков в Семиречье и Южном Казахстане: тусхи, чигили, азкиши, тюргеши, халаджи, чаруки, барсханы.
Население также включило ираноязычных согдийцев, переселенцев из стран Ближнего Востока и Центральной Азии.