Para sejarawan sepakat bahwa kota ini mengalami kemajuan pesat setelah orang-orang Arab-Muslim menguasai kota ini pada awal abad ke-8 M. Penduduknya berpindah ke Islam.
Prosesnya tidak mudah karena sebagian dari mereka, walau sudah menganut Islam, tetap mengikuti keyakinan lamanya, yakni menyembah berhala. Orang-orang Arab-Muslim berupaya keras agar kepercayaan lama ini bisa dihilangkan.
Salah satu institusi awal yang didirikan penguasa Arab-Muslim di kota ini ialah masjid, yang kemudian berkembang menjadi sekolah-sekolah agama atau madrasah. Setelah sempat berada di bawah kekuasaan Dinasti Abbasiyah, kota ini diambil alih oleh dinasti beraliran Sunni asal Persia, Samaniyah, pada awal abad ke-9 M.
Bukhara dijadikan ibu kota Dinasti Samaniyah. Penduduknya beragam, mulai dari orang Arab, Persia, Turk hingga Yahudi. Perdagangan berkembang pesat dengan Bukhara mengekspor berbagai komoditas ke luar negeri, mulai dari lampu tembaga hingga kulit domba.
Secara fisik, arsitektur dan tata kota di Bukhara juga mengalami perkembangan. Kota Bukhara tergolong besar untuk zamannya.