Завоевания Российской империи не могли не обеспокоить Иран, и в июне 1804 года между этими государствами началась война. Иранские войска вторглись в Карабах, где были разбиты армией Ибрагим-Халил-хана. Зная, что иранский шах не простит подобного шага, Ибрагим-Халил-хан выехал в Гянджу для переговоров с командующим русской армией в Закавказье генералом Цициановым.
14 мая 1805 года между Цициановым и Ибрагим-Халил-ханом был заключен договор о признании российского протектората над Карабахским ханством. Также принял российский протекторат и шекинский хан — Салимхан. Согласно договору оба ханства каждый год должны были платить в царскую казну 7–8 тысяч рублей и разместить русские войска на территории своих владений. Фактически Карабах вступал в подданство России и отказывался от всякой зависимости от Персии.
В 1822 году главнокомандующим русскими войсками на Кавказе был упразднен институт ханства, и Карабах перешел под прямое административное управление России, курировать которое было поручено карабахскому армянину генералу Мадатову. Последний известен как активный участник Отечественной войны 1812 года и боевой соратник Д. Давыдова. На Кавказе Мадатов пробыл 11 лет, будучи одним из наиболее деятельных помощников Ермолова. Помимо руководства боевыми операциями, он много занимался организацией мирной жизни горцев. Один из его сподвижников вспоминал: «Воинственный характер князя Мадатова, знание им местных языков и обычаев, смесь азиатских привычек с европейскими делали его неоценимо полезным в областях, управляемых им. С одним из владельцев казался он дружески откровенным; другого обнадеживал обещанием лестных наград ему и подданным; третьему подавал защиту и правосудие. Во всех его поступках видны были гибкий ум, прозорливость и глубокое познание обстоятельств».
Стремясь к умиротворению края, Валериан Григорьевич лично вел переговоры с вождями горцев, являясь к ним один и безоружным. В ханствах, вверенных ему в управление, он руководил деятельностью судов (диванов), заботился о развитии торговли и усовершенствовании горных дорог, о распространении шелководства и улучшении породы знаменитых карабахских скакунов. Пришлось вести ему и боевые действия — против ханов Каракайтакского и Казикумыкского, жесткой рукой пресекал выступления воинственных и непокорных племен.
По завершении очередной русско-иранской военной кампании 1826–1828 годов и разгрома войск Аббас-Мирзы был заключен Туркманчайский договор, установивший границу между Ираном и Россией по реке Аракс. Ереванское и Нахичеванское ханства, а также часть каспийского побережья до реки Астары перешли к России. С заключением Туркманчайского договора Карабах был окончательно присоединен к России.
В ходе революции 1917 года и последовавшего распада Российской империи Карабах недолгое время был в составе Армении, однако вскоре превратился в «передвигающуюся линию фронта».
Карабах в 1918–1920 годах
После переворота октября 1917 года в России Закавказье фактически отделилось. Избранные в разогнанное большевиками Учредительное собрание закавказские депутаты образовали сейм, который 9 апреля 1918 года провозгласил Закавказскую Демократическую Федеративную Республику, куда вошли будущие Грузия, Армения и Азербайджан.
Однако после начала турецкого наступления она в мае 1918 года распалась на отдельные государства, которые практически сразу предъявили друг другу территориальные претензии.
Так, правительство Азербайджанской Демократической Республики при поддержке Турции декларировало свою территорию в рамках Бакинской и Елизаветпольской губерний несуществующей Российской империи, то есть с включением Карабаха и Зангезура. Ясно, что армяне Карабаха и Зангезура категорически отказались признать власть Азербайджана. Собственно говоря, именно к тому времени относится начало армяно-азербайджанского конфликта XX века.
22 июля 1918 года в Шуше был созван Первый съезд армян Карабаха, который провозгласил Нагорный Карабах независимой административно-политической единицей и избрал Народное правительство. Народное правительство Нагорного Карабаха состояло из пяти комиссариатов: иностранных и внутренних дел, военных дел, путей сообщения, финансов, земледелия и юстиции.