В 1563 году Сибирское ханство перешло в руки хана Кучума, который разорвал отношения с Москвой. В 1573 году отряды Кучума вторглись в русские земли и достигли Перми. Сибирские татары разграбили поместья Строгановых. Эта дерзкая вылазка заставила Строгановых пригласить отряды казаков под водительством атамана Ермака для защиты своих владений. Два года с 1579 по 1581 год казаки отбивали атаки сибирских татар на реке Чусовой, но 1 сентября 1581 года атаман Ермак с отрядом казаков двинулись за Урал вглубь Сибири.
Весной 1582 года отряды Ермака на Иртыше в битве при Чувашском мысу разбили главные силы Кучума, и хан Кучум бежал на юг в Ишимские степи. Так началось присоединение Сибирского ханства к России.
В конце 16-начале 17 веков русские казаки основали Тюмень, Тобольск, Березов, Сургут, Тару, Обдорск (Салехард), Мангазею (Обская губа).
В первое двадцатилетие 17 века (1604-1628 гг.) русские первопроходцы осваивают Восточную Сибирь. Основаны: Томск, Туруханск, Енисейск, Кузнецк, Красноярск. Следуя по Лене, русские первопроходцы заложили Якутск, открыли путь от Якутска к Охотскому морю, следуя по Енисею – вышли в устья Яны, Индигирки, Колыми, Анадыря (1637-1640 гг.). Василий Поярков в 1645 г. открывает северное побережье Сахалина, в 1648 г. Семен Дежнев открывает пролив между Азией и Америкой (Берингов пролив). 1649-1650 гг. – Ерофей Хабаров дошел до Амура. В Приамурье, на Чукотке, на берегах Охотского моря появляются первые русские поселения. 1697-1699 гг. – Владимир Атласов открыл и исследовал Камчатку.
К середине 17 века построены укрепления на юге Сибири – Иртышская линия, позже Ишимская линия, в начале 18 в. – Оренбургская линия. Южная Сибирь заселяется русскими поселенцами.
Петр I организует Великую Северную Экспедицию – начинается научное исследование всей Сибири. В начале 18 века появляются первые горные заводы на Алтае, в Сибири – винокуренные и солеварные заводы. К этому времени в Сибири работало 7 тысяч работников на 32 заводах и рудниках.