蒙古在灭金后，继续对外征战，目标有二：灭南宋和远征西域。太宗窝阔台与成吉思汗一样，醉心于西征，暂缓灭亡南宋的进程。

窝阔台一直跟随成吉思汗南征北战，战功显赫，1219年成吉思汗西征前，被确定为大汗继承人。成吉思汗率军西征时，窝阔台与哥哥术赤、察合台围困讹答剌城，攻克该城后与成吉思汗会合于撒麻耳干（撒马尔罕），并受命协调术赤、察合台两军攻克玉龙杰赤（乌尔根奇）。1227年他又随成吉思汗征西夏。1229年经忽里台大会选举，他成为蒙古国的第二代大汗。灭金后的第二年，即1235年他召开大会，作出西征的决定：远征钦察、斡罗思（俄罗斯）、孛烈儿（波兰）、马札儿（匈牙利）以及这一带所有未服之国；要各系宗王长子统兵，万户以下各级那颜也以长子从征，以拔都（成吉思汗长子术赤的次子）为西征军统帅，大将速不台（成吉思汗亲信那可儿）为先锋；率军从征的诸王还有窝阔台长子贵由、拖雷长子蒙哥等。

1236年秋，拔都命速不台攻下不里阿耳国，又命蒙哥攻钦察、阿速，于次年初擒杀伏尔加河下游的钦察部首领，随后征服莫尔多瓦国。1238年初，拔都攻下斡罗思的莫斯科城；次年冬，攻下阿速国都蔑怯思城；1240年秋攻下乞瓦（基辅）；1241年拔都分兵两路向西，一路攻入孛烈儿（波兰），另一路攻入马札儿（匈牙利）。蒙古远征军在里格尼茨（今波兰南部）大败波德联军，欧洲为之震动。1242年拔都获悉窝阔台已死，便率军东返，留驻于伏尔加尔河下游大营，统治所征服的钦察、斡罗思诸国，建立了东起哈萨克草原，西到斡罗思，南起巴尔喀什湖、里海、黑海，北到北极圈附近的钦察汗国（或称金帐汗国）。这里原先是成吉思汗划分给长子术赤的封地，当时划定的范围是：也儿的石河（额尔齐斯河）以西、花剌子模以北，直至蒙古骑兵所到之处。术赤的次子拔都征服了乌拉尔河以西伏尔加河流域，迫使斡罗斯各公国臣服后，建立起这个庞大的汗国，以伏尔加河上游的拔都萨莱城（今阿斯特拉罕附近）为国都。拔都去世后，其弟继位，钦察汗国名义上仍对蒙古大汗称藩，实际已经成为独立国。

1246年窝阔台长子贵由被立为大汗（蒙古国第三代大汗）。1248年贵由死于讨伐拔都的西行途中。1251年成吉思汗幼子拖雷的长子蒙哥继任汗位，成为蒙古国第四代大汗。蒙哥鉴于此前多年中汗位争夺的激烈，即位后致力于强化大汗的权威，然后任命其弟忽必烈总领漠南汉地军政事宜，并任命其弟旭烈兀总领波斯之地，统兵西征，于是发动了第三次西征。

1253年，旭烈兀率西征大军出发，经过两年多的战争，消灭了伊斯兰教亦思马因派在里海以南的木剌夷国。1257年旭烈兀率军西进，矛头直指黑衣大食的首都报达（今伊拉克巴格达）。阿拉伯帝国阿拔斯王朝，崇尚黑色，唐朝史籍称为黑衣大食。报达（巴格达）不仅是黑衣大食的首都，也是整个伊斯兰教阿拉伯世界的都城。1258年蒙古军用炮火攻下此城，伊斯兰教最高教主哈里发投降。1259年，旭烈兀又分兵三路，侵入叙利亚。次年春，旭烈兀获悉蒙哥的死讯，便回师波斯，又获悉忽必烈已继任大汗，决定不再东返蒙古，表示拥护忽必烈为汗。忽必烈遣使传旨，把阿母河以西的波斯国土及其人民划归旭烈兀统治。于是旭烈兀建立了又一个汗国，东起阿母河和印度河，西面包括小亚细亚大部分地区，南至波斯湾，北抵高加索。由于旭烈兀自称伊利汗，这个汗国便称为伊利汗国，以蔑剌合（今伊朗马腊格）为首都。

钦察汗国、伊利汗国、察合台汗国、窝阔台汗国，合称四大汗国。察合台汗国是成吉思汗次子察合台的封地——从畏兀儿境一直延伸至河中的草原地区，最盛时其疆域东至吐鲁番、罗布泊，西至阿母河，北至塔尔巴哈台，南至兴都库什山。窝阔台汗国是窝阔台后王海都所建的汗国，西至可失哈耳（今新疆喀什）与答剌速河（今塔拉斯河），南至天山南麓诸城，西至哈剌火州（今新疆吐鲁番），北至也儿的石河（今额尔齐斯河）上游，以伊犁河与答剌速河流域为中心。它的存在对元朝与西方诸汗国的联系、东西方交往都产生了巨大的影响。(www.daowen.com)

蒙古军事远征的结果是出现了一个横跨亚欧大陆的大蒙古国。蒙古语成为这广袤领土上最权威的官方语言。虽然它是一个不稳定的政治军事联合的共同体，缺乏统一的社会经济基础，第三代大汗时已经开始分裂，表面上承认元朝皇帝（大蒙古大汗）是他们的宗主，实际上都已独立地统辖自己的领土，不久就演化为若干个相对独立的国家，但是在整个元朝的对外关系与经济文化交流中起着明显的积极作用。

首先，这些汗国仍尊奉元朝皇帝为大汗，称之为“一切蒙古君主的君主”,“四海万民之君和成吉思汗家族之长”，它们承认元朝皇帝为其宗主，它们是元朝的“宗藩之国”，朝聘使节往来不绝。这些汗国的汗位承袭，要得到大汗——元朝皇帝的认可，例如伊利汗国的旭烈兀死，遗命由其子阿八哈继位，阿八哈推辞说：没有叔父忽必烈的命令他不能即位，直到1270年元朝使节抵达后他才举行即位典礼。现存1279年阿八哈的敕令盖有汉字“辅国安民之宝”方印，便是忽必烈颁赐给他的。这些汗国与元朝保持一种宗主国与藩属之间的关系，通过赐予和朝贡保持往来。每一批使者其实就是一支庞大的商队，可以使用官方的驿站交通。早在窝阔台时就设置了通往拔都营帐的驿道，以后这条驿道日趋完善，西方使节、商人东来多通行于此驿道，经过伏尔加河下游的钦察汗国都城萨莱，阿母河下游的玉龙杰赤，河中地区的不花剌、撒麻耳干，抵达阿力麻里，并由此前往岭北行省的首府和林。萨莱等城市因此成为东西方的交通枢纽，当地与元朝的人才与物资交往十分频繁。

其次，从成吉思汗西征以来，大批军政官员与工匠被掳东来，以后又有大批中亚商贩、旅行家络绎来到元朝，他们中有回回人、西域人、大食人，统称“色目”人。他们在元朝从政经商，也带来阿拉伯的科学和文化。例如，忽必烈曾下令颁行的《万年历》，编制人是回回天文学家札马鲁丁；元朝在太医院下设的广惠司，制作回回药物，创建者是叙利亚人爱薛；为修建大都城作出贡献的茶迭儿局诸色人匠总管府达鲁花赤也黑迭儿是大食人。在整个元朝，波斯、阿拉伯天文历法、数学、医学、史地类书籍大量传入中国。

由于东西交通的发达，大量蒙古人、汉人迁往中亚、西亚各地。旭烈兀西征时，有上千汉人工匠随行，其中有使用火药的炮手，火药就由此途径经阿拉伯传入欧洲。随旭烈兀西征的天文学家、医生，后来留在了波斯。伊利汗国丞相拉施都丁编写历史名著《史集》时，关于蒙古与元朝的历史，主要得益于1283年奉命出使伊利汗国的元朝丞相孛罗。

横跨亚欧大陆的大蒙古国的建立，仅仅凭借武力是难以想象的，势必要有高度的文化作支撑，蒙古的草原文化在畏兀儿（回鹘）文明的渗透下发荣滋长。畏兀儿文明传入蒙古从塔塔统阿开始。塔塔统阿原先是乃蛮太阳汗的掌印官，乃蛮灭亡后投降蒙古，为成吉思汗掌管钱谷，蒙古文字的出现，即与塔塔统阿有关。《元史》说：“塔塔统阿，畏兀人也，性聪慧，善言论，深通本国文字。乃蛮大扬，可汗尊之为傅，掌其金印及钱谷……帝曰：‘汝深知本国文字乎？’塔塔统阿悉以所蕴对，称旨。遂命教太子诸王以畏兀字书国言。”此后畏兀儿人参与成吉思汗的创业，以及忽必烈的建国。