成吉思汗统一西域
12世纪末，西辽在西域的统治出现了危机，与此同时，蒙古在北方草原兴起，13世纪初，蒙古统一了散处于叶尼塞河上游一带的斡亦刺惕部。1209年，高昌国王亦都护不堪忍受西辽压榨，击杀了镇守官，归顺了成吉思汗，成吉思汗认他为第五子，并把公主婚配给他。西辽的重要属部噶逻禄等也向成吉思汗投诚。1218年，成吉思汗派大将者别率兵两万越过阿尔泰山，攻灭西辽，杀屈出律。喀什噶尔、莎车、和田等城相继降服，蒙古统一了西域。1219年，成吉思汗亲率二十万大军西征，次年攻灭阿姆河下游的花剌子模，兼并了中亚地区。
蒙古统一西域后，即在高昌、别失八里（即北庭，在今吉木萨尔县境内）、阿力麻里（今霍尔果斯附近）、哈实哈尔（喀什）、叶尔羌（今莎车）、斡端（今和田）等地设达鲁花赤（地方最高长官），监治西域各地。
成吉思汗晚年，将所征服的领土封给四个儿子，长子术赤分得钦察草原；次子察合台分得伊犁河流域、河中地区、焉耆以西直到咸海地区；三子窝阔台分得天山北路的塔城、额敏、和布克赛尔、阿勒泰等地和蒙古高原西部；幼子拖雷继承成吉思汗领地，即蒙古中心地区。高昌作为属国，亦都护的领土予以保留。其中，次子察合台与三子窝阔台的封地分别位于今新疆北部及中亚的草原地带。至于西域及中亚的各绿洲农业区，则归大汗委派的断事官（达鲁花赤）直接管辖，达鲁花赤负责编查户口、征收赋税、签发兵丁，权力很大。最先投奔成吉思汗的高昌亦都护，则被赋予了蒙古王族的待遇，继续统辖境内畏兀尔百姓，但必须接受达鲁花赤的监督，上缴赋税。1251年，蒙哥汗继位，在别失八里（今吉木萨尔）设立行尚书省，委派麻速忽为省事，管辖天山东部的绿洲农业区，又在中亚设立阿姆河行尚书省，委派阿尔浑为省事，管理天山以南、中亚南部绿洲地区。
海都叛乱
1260年，忽必烈即位为蒙古大汗。1271年，忽必烈即位为皇帝，建立元朝。在此期间，窝阔台汗海都和察合台汗八喇不满忽必烈继承汗位，于是发动了叛乱，元朝在西域的领地为其夺取。
窝阔台即大汗位时，全体宗王曾立下”只要是从窝阔台合罕子孙中出来的，哪怕是一块臭肉，我们仍要接受他为汗“的誓言，贵由汗即位的忽里台大会上，诸王也有类似的宣誓。因此，海都认定拖雷后人占据大汗之位是非法的，故而很早就萌生了反叛的想法。蒙哥死后，阿里不哥与忽必烈争夺大汗位，海都依附于阿里不哥，与忽必烈为敌，阿里不哥失败后，海都拒绝归附忽必烈。至元五年（1268年），开始举兵东犯元境。他与察合台汗国的八剌先是互相争战，继而相结纳，取得伊犁河谷与可失哈耳（中国新疆喀什）地区，并纠集窝阔台、察合台、术赤三系诸宗王，在答剌速河（中国塔拉斯河）畔召开忽里台。八剌死后，察合台汗国实际上成为海都所操持的附庸，它的统治者笃哇追随海都，多次进扰元朝的西北边境。海都统治下的窝阔台汗国所控制地域，西至可失哈耳与答剌速河谷，南及天山南坡诸城，东抵哈剌火州（中国新疆吐鲁番），北有也儿的石河上游之地，而以伊犁河与答剌速河流域为中心，成为中亚的一大势力。它的存在，对元朝政治军事形势的发展、元朝与西方诸汗国的联系、中西交通的往来等方面都带来巨大影响。中亚、蒙古的某些地区也因之数遭残破，造成大量流民内徙。
不久，元军收复阿里麻里，并相继夺回斡端（和田）与可失哈尔（喀什噶尔）等地。为了加强对西域的控制，1271年，忽必烈派北平王那木罕建牙（今伊犁霍城），并派兵戍守。1279年，元朝设置斡端（和田）宣慰使司元帅府，作为管理西域屯戍事宜的最高机构。在此前后，察合台军不断反攻，元朝先后被迫放弃了阿里麻里、斡端等地。随着战线由南向北转移，元朝又设立了别失八里、火州（吐鲁番）等处宣慰使司都元帅府，管理天山东部的驻屯事宜。1286年，元朝又罢黜了斡端元帅府，改别失八里宣慰使司为元帅府，成为西域驻屯军的最高领导机关。1295年，元朝再次设立了北庭都元帅府，管理东天山北麓的军政事务。此外，元朝还先后设立提刑按察司、北庭都护府以及哈喇火州总管府等机构，管理吐鲁番地区。
经过与元朝的长期对抗，窝阔台汗国与察合台汗国的势力也日渐削弱。大德五年（1301年），海都侵犯元朝的边境，在与元朝军队战斗中受伤，回师途中死去，海都的儿子察八儿继立。1303年与1306年，察合台汗笃哇与窝阔台汗察八尔先后归顺元朝，西北宗王之乱平定。大德八年（1309年），笃哇起而与察八儿争战，察八儿被笃哇掠夺了其窝阔台汗国西部大部分的城池。元朝海山的军队也同时逾阿尔泰山，大破察八儿军。察八儿穷无所依，投往笃哇。窝阔台汗国所属的诸大藩部一部分归附元朝，大部分降于笃哇。当时的西域，除了别失八里、火州（吐鲁番）、哈密力（哈密）以外，都属于察合台汗国的统治范围。1348年，察合台汗国分为东、西两部。西域又处于东察合台汗国的统治之下。
