W 712 roku została podbita przez Arabów, którzy wprowadzili religię islamską. W tym czasie stała się również centrum wytwarzania papieru, z którego papier zawędrował do Europy. Za panowania Abbasydów Arabowie uzyskali od chińskich jeńców wziętych do niewoli po bitwie nad rzeką Tałas w 751 roku tajemnicę produkcji papieru. W rezultacie w Samarkandzie powstała pierwsza w świecie arabskim papiernia.
Samarkanda była jednym z najważniejszych miast w państwach Samanidów i Karachanidów. W 1220 została zburzona przez Czyngis-chana. Jedynie niewielka część populacji miasta przetrwała najazdy mongolskie (zdziesiątkowano ludność o niemal 60 tys. mieszkańców). W latach 1369–1405 Samarkanda była stolicą rozciągającego się od Indii do Turcji państwa Timura. W ciągu 36 lat władca wzniósł nowe miasto i sprowadził do niego artystów i rzemieślników z całego imperium. Pod panowaniem Timurydów miasto odzyskało swoje dawne znaczenie i stało się jednym z najsłynniejszych ośrodków kultury, nauki i sztuki islamskiej. Największy rozkwit Samarkanda przeżywała w XV wieku za panowania Uług Bega, wnuka Timura. W porównaniu z poprzednimi dekadami, stabilna sytuacja państwa sprawiła, że Uług Beg zaczął inwestować jeszcze bardziej w rozwój naukowy i kulturalny swojej stolicy.