Русия идва в казахската степ в началото на XVIII век. Първите, които доброволно остават под управлението на руските автократи през 1730-те, са казахските кланове Младши и Средни жузи (орди), които търсят защита от войнствените джунгари. За контрола над Средния жуз трябва да се бият с Кокандското ханство, но в по-късната половина на XIX в. територията е анексирана от Руската империя, където остава до разпадането ѝ през 1917 година.
В първите години на съветската власт населените с казахи земи претърпяват голямо национално-териториално разграничение: имената, границите и столиците на техните национални автономии се променят няколко пъти. Така например в периода от 1920 до 1929 г. казахите имат три столици: Оренбург, Кзилл-Орда (Къзълорда) и Алмати. Административната и териториална стабилност идва чак през 1936 г., когато Казахската автономна съветска социалистическа република е официално изтеглена от съветска Русия и е издигната до съюзна република в рамките на СССР.
Политиката на колективизация, която съветското правителство води в края на 1920-те години (т.е. обединяване на индивидуални селски стопанства в колективни), игнорирайки реалностите на казахския живот, в комбинация с принудителното прехвърляне на номадите към уседнал начин на живот, както и настъпващата суша, водят до най-големия глад в историята на страната през 1931-1932 година. Според различни оценки между 1 и 1,5 млн. души умират, а още около 200 000 мигрират в съседните Иран, Китай и Афганистан.
Междувременно кампанията на съветското правителство за изкореняване на неграмотността в цялата страна е по-разумна и от особено значение за Казахстан – по време на разпадането на Руската империя, неграмотността е около 5%, но до 1939 г. е над 70%. В навечерието на Втората световна война в 20-те университета на републиката и повече от 100 средни учебни заведения има около 40 000 студенти.
През 30-те и 40-те години на миналия век големият, но слабо населен Казахстан става основно убежище за цели народи, депортирани от съветските власти: поляци и украинци от Западна Украйна, китайци и корейци от Сахалин и Приморието в руския Далечен изток, германци от Поволжието и много други. Оневиняването и завръщането у дома на изгнаниците започва едва след смъртта на Сталин през 1953 година.
Същевременно Казахската ССР започва да се трансформира в индустриалното сърце на Съветския съюз: тежката и леката промишленост се развиват много бързо, строят се заводи и фабрики и се копаят и развиват минерални находища. Например Карагандинският въглищен басейн става най-големият в страната след Донбас в Украйна и Кузбас в Сибир. Поради липсата на работна ръка в Казахската ССР, там са преместени стотици хиляди работници от цялата страна.
По време на Втората световна война Казахстан е надеждният ариергард на СССР. Там са евакуирани около 150 предприятия от западните райони на страната, а още няколкостотин са изградени от нулата. Най-важните източници на суровини за Съветския съюз са под германска окупация, а Казахска ССР няколко пъти увеличива производството на цветни метали, електроенергия и течни горива. Повече от милион казахи участват в битките с врага, от защитата на границата при Брестската крепост до превземането на Берлин.
В следвоенния период Казахската ССР продължава да се развива като най-важният икономически център на Съветския съюз: започва мащабна кампания за култивиране на девствените земи, основават се десетки градове и са построени нови предприятия. Ненаселената Казахска степ е и идеална за изпитания на първата съветска атомна бомба през 1949 година. Релефът и географската ширина на републиката също я правят подходяща за първия в света космодрум "Байконур". Той е построен през 1957 г. и функционира и до днес.
Ръководството на Казахска ССР с тревога следи разпадането на Съветския съюз, започнало в края на 1980-те години. Тесните икономически връзки между републиката и съветска Русия, плюс факта, че местното казахско население е далеч по-малко от неказахското (казахите наброяват 6,5 милиона от 16 млн. през 1989 г.), го подтикват да действа изключително предпазливо. Следователно Казахстан е последната от съветските републики, която се отделя от СССР, обявявайки независимост на 16 декември 1991 година.