על פי היסטוריונים וגאוגרפים ערבים ופרסים שחלקם גם ביקרו בממלכה, הכגן ואנשי חצרו היו יהודים בעוד שיתר האוכלוסייה הם שאמניסטים, מוסלמים או נוצרים. ישנם מקורות מוסלמיים מהתקופה שטוענים שכלל הכוזרים התגיירו אך חלק ניכר מהם נכתבו על ידי אנשי דת ובטקסטים העוסקים בתאולוגיה. מקורות ביזנטיים או ארמניים וגיאורגיים אינם מזכירים את הכוזרים כיהודים, אך במקורות יהודיים יש כמה עדויות חשובות לכך.
ידיעות על יהדות הכוזרים ועל התגיירותם נפוצו כנראה בין קהילות יהודיות כבר במאה ה-10. הקראי יעקב הקרקסאני, שחי בעיראק, מזכיר את הכוזרים כמי שהתגיירו ליהדות, בפירושו לספר בראשית (). המקור היהודי החשוב ביותר לסיפור ההתגיירות של הכוזרים הוא המכתבים הכוזריים – חליפת מכתבים בין יוסף מלך הכוזרים וחסדאי אבן שפרוט (915–975). מתכתובת זו עולה כי חסדאי אבן שפרוט, מנהיג יהדות ספרד במאה ה-10, ששמע על מלכות יהודית בכזריה, סבר שמדובר בשבט ששרד מעשרת השבטים האבודים ושלח מכתב אל יוסף העומד בראש הממלכה. (חוקרים מעריכים שאת המכתב ניסח רבי מנחם בן סרוק, מזכירו של רבי חסדאי. שמו של רבי חסדאי משולב במכתב באקרוסטיכון). קיים גם מכתב תשובה של יוסף, מלך הכוזרים לחסדאי שבו הוא מסביר שהוא מלך משבט כוזר, צאצא לתוגרמה, בנו של יפת () ולא מעשרת השבטים. הוא מספר שההתגיירות אירעה בימיו של מלך בשם בולאן, לאחר שמלאך הופיע בחלומו ולאחר שהמלך מצא, בדרך נס, אוצרות שבעזרתם בנה "אוהל וארון ומנורה ושולחן ומזבחות וכלי הקודש". בוויכוח שנערך בין חכמי הנוצרים והמוסלמים לחכם יהודי, ניצח היהודי. שנים אחר כך מלך בשם עובדיה עשה רפורמה דתית בממלכה והנהיג בה קיום מצוות ולימוד תורה. המלכים ששלטו בממלכה אחריו עד לכותב המכתב, המלך יוסף, נקראים כולם בשמות עבריים.
מסמך שהתגלה ב-1912 בגניזה הקהירית (הידוע כמכתב שכטר) מופנה אף הוא לחסדאי אך כותבו אנונימי. לפיו לא מדובר בהתגיירות אלא בחזרה ליהדות. אבותיו של הכותב היו יהודים שמצאו מקלט בכזריה, התערבבו בתושבי הארץ וכמעט שכחו את דתם. בשיבה ליהדות החל שר צבא אנונימי בהשפעת אשתו סרח. גם בסיפור זה יש ויכוח בין חכמים משלוש הדתות המונותאיסטיות ורפורמה דתית של שופט שהוכתר למלך שנקרא סבריאל. מהערות בכתבים של חכמים יהודים מספרד, עולה שחליפת המכתבים בין חסדאי למלך כזריה וסיפור ההתגיירות היו ידועים להם, גם אם לא היו בטוחים באמיתותם.
הפרסום העיקרי שהביא לכל תפוצות ישראל את המידע על ממלכת הכוזרים שהתגיירה, הוא ספר הכוזרי של רבי יהודה הלוי שנכתב בשנת 1140, בו הוא שוטח את העקרונות הפילוסופיים של הדת היהודית, הספר נכתב בתוך סיפור מסגרת בו מתואר מפגש בין מלך כוזר לנציגי שלוש הדתות המונותאיסטיות ופילוסוף, כשכל אחד מנסה להוכיח את צדקת דתו והשקפתו. המלך פונה לחכם היהודי לאחר שדחה את טענות הנציגים האחרים. הוא מקבל את דברי החכם, בוחר באמונה היהודית ומקבל עליו את התורה ומצוותיה. רבי יהודה הלוי מסתמך על "ספרי דברי הימים" ומציין שהוויכוחים היו כארבע מאות שנה לפני כתיבת הספר, כלומר סביב שנת 740.
האותנטיות של התכתובת הכוזרית ומהימנות סיפור ההתגיירות שנויות במחלוקת. ישנם הטוענים שעל אף שוודאי שהאיגרת של חסדאי נכתבה על ידיו (כאמור בעזרת סופרו מנחם בן סרוק) לא ברור אם אכן היא נשלחה למלך הכוזרי והוא עצמו השיב עליה או שמדובר ביצירה ספרותית והמכתב כולל התשובה נכתבו על ידי אותה יד (על כך יש ויכוח חריף בספרות המחקרית עד היום), אבל גם אם זה כך, אין חולקים על כך שהמכתבים האלה וגם מכתב שכטר, הסתמכו על מקורות שהיו בהם ידיעות רבות על הגאוגרפיה והמצב המדיני של כזריה אם כי פרטים שונים בתיאורים הגאוגרפיים וההיסטוריים שמופיעים במכתבים אינם מתיישבים עם הידוע ממקורות אחרים. גם לגבי מועד ההתגיירות אין בהם תשובה מספקת, אם כי נראה שהמועד שמביא ספר הכוזרי – שנת 740 – אינו רחוק ממה שמציע אל-מסעודי, שההתגיירות הייתה בימי הכליף הארון א-רשיד (786–809). רוב החוקרים מסכימים שקבלת היהדות הייתה תהליך רב שלבי שהחל זמן לא רב לפני שנת 740 והגיע לשיאו במחצית הראשונה של המאה התשיעית. כמו כן, כמו במקרים רבים של המרות דת במקומות ובזמנים שונים כשהמתחילה היא האליטה החברתית הכלת הדת החדשה על ידי השכבות הרחבות בחברה היא תהליך איטי הכולל סינקרטיזם ואף המשך קיום מקביל של אמונות ודתות קודמות במשך עוד זמן רב.
המפקפקים בסיפור ההתגיירות מציינים את המוטיבים האגדיים הרבים המופיעים בו: הופעת מלאך, חלום, גילוי אוצרות פלאי, ומערה מסתורית. פרטים אגדיים דומים מאפיינים סיפורי המרת דת רבים וויכוחים דתיים בין נציגי הדתות המונותאיסטיות היו מקובלים בימי הביניים ומופיעים גם בסיפורים אחרים של המרות דת. ההיסטוריונים משה גיל ושאול שטמפפר שהם הבולטים בין המאתגרים את סיפור ההתגיירות בשנים האחרונות, טוענים שלעומת המקורות המספרים על יהדות הכוזרים יש שתיקה גמורה של מקורות ביזנטיים, ושל רוב המקורות היהודיים. הם טוענים שגם המקורות המוסלמיים ברובם חשודים בהעתקה ובשיחזור של מקורות קודמים להם, ובעצם רוב המקורות המוסלמיים הרלוונטיים כלל אינם מזכירים את יהדות הכוזרים. אחד הטיעונים של המפקפקים ביהדות הכוזרים היא העובדה שאף אחד מהמקורות המתארים את הכוזרים כיהודים אינו מזכיר בקשר להם מנהגים החיוניים לשומרי מצוות התורה וההלכה, וכי בעצם לא ידוע כלל במה התבטאה יהדות זו. המחקר הארכאולוגי לא גילה בכזריה עדויות לקיום פולחן יהודי לא בצורת הקבורה ולא סמלים יהודיים טיפוסיים.
התומכים במהימנות המידע על יהדות הכוזרים טוענים שהיה מניע מדיני לכך שמלכי הכוזרים העדיפו לקבל את הדת היהודית, כיון שבאופן כזה התאפשר לממלכה לשמור על עמדה נייטרלית במאבק בין שכנותיה הנוצריות והמוסלמיות. ולהימנע מהצורך לקבל את ההגמוניה שלהן. מאידך, גם בעלי גישה זו מסכימים כי ייתכן שהדבר נבע גם ממניעים דתיים. אך מאחר שאין אף מקור היסטורי מהימן לסיפור ההתגיירות הרי שכל ההסברים באשר למניע להתגיירות הם בגדר השערות.
הכוזרים ויהדות אירופה המודרנית.
בעקבות התבוסה שהנחילו הרוסים לכוזרים ב-965 וב-968 נעלמה כזריה כישות פוליטית. במאות ה-11 וה-12 עדיין יש תזכורות ספורות לכוזרים, אך אין הם חלק מישות מדינית כוזרית וגם אין התייחסות לדתם. הכוזרים נעלמו מבימת ההיסטוריה כמו הרבה עמים שהקימו פעם ממלכה חזקה ושולטת, וכמו רבים מהעמים-שבטים שיצאו מערבות אסיה לגבולות אירופה. היעלמותם מיקדה תשומת לב גם בגלל המעמד הבולט שהיה לממלכתם וגם בגלל הסיפור יוצא הדופן ומעורר הסקרנות על יהדותם. השאלה: לאן נעלמו הכוזרים היהודים הפכה במאה ה-19 וה-20 בעיני רבים לתעלומה. התשובה הפשוטה לשאלה יכולה להיות שרוב תושבי כזריה היהודים נטמעו בין בני הדתות השונות במקום מושבם. ייתכן שחלק מהיהודים שחיו בממלכת הכוזרים (או הכוזרים המיוהדים) נמלטו ממנה ונטמעו בקהילות היהודיות שהתקיימו באותה התקופה בצפון הים השחור, בח'ליפות, בכורזאם ובביזנטיון. מספר מקורות מוסלמים מהתקופה מדווחים שהכוזרים התאסלמו בתקופה זאת, וייתכן שבהמשך הם נטמעו באוכלוסיות המוסלמיות השכנות.
להצעות השונות שהועלו בניסיון להסביר את "היעלמות" הכוזרים יש במקרים רבים מניעים אידאולוגיים ופוליטיים, גלויים או סמויים. ההשערה העיקרית הזוכה לעניין ציבורי ואקדמי היא הטענה שיהודי מזרח אירופה – היהודים האשכנזים – הם צאצאי הכוזרים שהתייהדו. לפי השערה זו ממלכת הכוזרים המשיכה להתקיים עד המאה ה-13 ואז נדדו רבים מהיהודים הכוזרים למזרח אירופה, רוסיה, פולין והבלקן ויצרו שם קהילות שהיוו את הבסיס ליהדות האשכנזית. השערה זו נשענת על הטענה שלא ניתן להסביר את הופעת הקהילות הגדולות במזרח אירופה במאות ה-14–16 רק בהגירת יהודים מגרמניה וממערב אירופה.
ההתעניינות בנושא החלה במחצית המאה ה-19 והושפעה מעליית הרעיון הלאומי באירופה וכתוצאה ממנו החיפוש אחר שורשים לאומיים וסיפורי מורשת לאומית. הצורך בהגדרה עצמית לאומית המריץ היסטוריונים לחקור את תולדות עמם וסופרים ומשוררים חיפשו אג'נדות של גבורה ותהילה בעבר הרחוק. כך בין ההונגרים היו מי שחיפשו ומצאו שורשים כוזריים בעברם של השבטים המדיארים. לאומנים רוסים התהדרו בניצחונות של שליטי קייב הרוסים על ממלכת כזריה, והציגו את הכוזרים כמי שהיו משעבדים ואויבים אכזרים של העם הרוסי בשחר ימיו.
בחוגים היהודים המשכילים באירופה החל העניין בקשר עם הכוזרים באמצע המאה ה-19, בעיקר בעקבות מסמכים שהופצו בידי ה"קראילאר" – תנועה לזהות לאומית של קראים, שניסו להרחיק עצמם מהמורשת היהודית. הם שאפו לבדל את עצמם מהקשר הגנטי עם היהודים, ובכך להחריג את הקראים מעלילות הדם ומהרדיפות הדתיות – כמו ההאשמה ברצח ישו. אחת הדמויות הבולטות ביניהם היה החוקר והאספן אברהם פירקוביץ'. שניסה למצוא מסמכים וממצאים ארכאולוגיים שיוכיחו את הקשר בין הקראים והכוזרים. אף על פי שהוכח שמרבית המסמכים הכתובים ואולי גם הממצאים הארכאולוגיים שמצא היו מפוקפקים ואפילו מזויפים, אישים קראים ניסו לבסס את התאוריה שלקראים אין קשר לעם היהודי וכי הם צאצאי הכוזרים.