中国-中亚天然气管道最初的设想为在中哈石油管道的基础上的延伸。

2003年6月，在胡锦涛主席访问哈萨克斯坦时签署了尽快完成此项目的意向协议。 哈萨克斯坦国家石油天然气公司与中国石油随后开始了输气管道项目可行性研究，与此同时，中国与其他中亚国家继续进行协商。

2006年4月3日，中国与土库曼斯坦签署了关于输气管道建设与长期天然气供应的框架协议。2007年6月，土库曼斯坦总统古尔班古雷·别尔德穆罕默多夫在访问中国期间签署了加速该天然气管道项目建设的协议。 7月，土库曼斯坦正式加入原有中哈石油管道。

2007年11月8日，哈萨克斯坦石油公司KazMunayGas与中国石油天然气集团公司签署关于未来管道建设的原则性协议。

2007年8月30日，全长188公里的土库曼斯坦段开工建设。 乌兹别克斯坦段的建设于2008年6月30日开工。 哈萨克斯坦段亦于2008年7月9日开工建设并于2009年7月完成一期工程。

2009年12月12日，胡锦涛在访问哈萨克斯坦期间，该段宣布竣工。

2009年12月14日，管道全线通气仪式在土库曼斯坦阿姆河右岸巴哥德雷合同区第一天然气处理厂举行。中国国家主席胡锦涛同土库曼斯坦总统别尔德穆哈梅多夫、哈萨克斯坦总统纳扎尔巴耶夫、乌兹别克斯坦总统卡里莫夫共同出席通气仪式。