成吉思汗大怒，于1219年年初，亲率20万精锐铁骑西征，翻越阿尔泰山，抵达额尔齐斯河畔度夏。二太子察合台铺桥筑路，大军穿越果子沟、伊犁河草原。全真道人丘处机应诏拜谒身在阿富汗雪山行营的成吉思汗，走的就是成吉思汗行军旧道，他的弟子李志常在《长春真人西游记》中详细记载了西行途中的所见所闻。丘处机途中写了一首长诗，其中有几句夸赞蒙古远征军在果子沟凿山架桥：

前年军兴二太子，

修道架桥彻溪水。

今年吾道欲西行，

车马喧阗复经此。

年逾七旬的丘处机沿着天山北麓，经今吉木萨尔北庭故城、轮台、昌八剌，渡过玛纳斯河，经赛里木湖，穿越果子沟，进入“水草盈秀，天气似春”的伊犁河流域，来到西辽名城阿力麻里，可谓一路艰险。

成吉思汗兵分四路，同时全线出击，进攻花剌子模。蒙古铁骑势不可当，横扫花剌子模，国王摩诃末望风而逃。蒙古四路大军在花剌子模都城撒马尔罕（今乌兹别克斯坦）城下会师，经过6天苦战，攻克撒马尔罕城，进行了血腥残忍的大屠杀。中亚各国无不臣服，蒙古国疆域空前辽阔。

大蒙古国以西域为补给站和跳板踏上征服世界的征途，史学家说“其大约占据了世界上三分之二的开化地区”。蒙古铁骑所到之处，生灵涂炭，尸横遍野，很多名城毁于战火。成吉思汗西征打通了东西方经济文化交流之路，对世界历史的发展产生了不可估量的影响。

成吉思汗死后，他的孙子辈又进行了两次西征，建立了蒙古四大汗国，为日后蒙古统治集团的分裂和战乱埋下祸根。察合台汗国统辖“西辽故地”，从高昌畏兀儿边地到河中的草原地区，牙庭设在伊犁河畔的忽牙思（今巩乃斯）；窝阔台汗国包括阿尔泰山、额尔齐斯河西直到额敏河一带，原属乃蛮旧地，建牙庭于叶密立。

1271年，元朝建立，元世祖忽必烈更改蒙古旧制，采行汉法，实行中央集权制，坚持游牧生活和祖宗习俗的三大汗国窝阔台、察合台和钦察后裔结成反元同盟，蒙古黄金家族内战全面爆发。忽必烈凭借着汉地雄厚的财力和人力资源，一举击溃叛乱联军，命皇子北平王那木罕统兵镇守阿力麻里，统辖伊犁地区。元军数次大败窝阔台汗国、察合台汗国联军，严重削弱了两系汗国的实力，迫于无奈两系汗国遣使元朝罢兵议和，承认元朝的宗主国地位。元朝先后设曲先塔林都元帅府、北庭都元帅府，分统天山南北军务。

元朝末年，疲于应付各地农民起义的朝廷无暇顾及西域，默许了察合台汗国在西域和中亚的迅猛扩张，其管辖区域东起流沙，西逾葱岭，囊括今新疆全境及中亚诸国。后来，察合台汗国分裂为东西两大汗国，西部政权为帖木儿汗国，东部政权为东察合台汗国，西域绝大部分地区归属东察合台汗国。

东察合台汗国兴起之时，元朝灭亡，朱元璋称帝，创建大明王朝。东察合台汗国与明朝一直保持着良好的关系，数次派遣使者向明朝进贡，明朝对其可汗也多有赐彰。东察合台汗国征伐不断，纷争四起，分裂衰落在所难免。

生活在钦察草原的牧民不堪白帐汗国统治者阿布勒海尔汗的残暴剥削，克烈和扎尼别克率众迁徙到楚河流域，受到察合台后王也先不花汗的欢迎，哈萨克族在楚河、塔拉斯河流域形成，逐渐成为伊犁草原的重要民族。

明朝中叶，东察合台汗国被叶尔羌汗国取代。明朝末年，漠西卫拉特蒙古崛起，这是一个由坚持蒙古传统的众多部落组成的松散联合体，以准噶尔部、和硕特部、杜尔伯特部和土尔扈特部为主，史书称卫拉特四部。游牧于伊犁河流域的准噶尔部逐渐发展壮大，驱逐或征服了其他各部，占据了天山以北地区。