成吉思汗分封時，察合臺得到的封地是原哈剌契丹國所在的草原，也就是從回鶻地區到不花剌和撒馬兒干，基本上包括了伊犁河流域、伊塞克湖、楚河上游和怛邏斯河流域，還有喀什噶爾和河中地區。察合臺的常駐地在伊犁河南岸。從1227年到1242年，察合臺統治著這塊廣大的地域。遵照成吉思汗的授命，他管理著札撒和蒙古人的紀律，是成吉思汗法典的嚴謹執行者。當成吉思汗決定把汗位交給他的弟弟窩闊臺時，他沒有任何異議，因為那是他父親的決定。有一次，他和已是大汗的弟弟賽馬，沒想到察合臺獲勝了，第二天，他像一個罪犯一樣乞求窩闊臺對他的寬恕。但察合臺是一個舊式的蒙古人，他不懂得以中國和波斯的模式，建立起一個正規的國家，在中國，忽必烈成了皇帝，在波斯，旭烈兀成了蘇丹。而察合臺的后裔仍就是草原王子，他們仍然逐水草而居，王國的疆域也是不固定的。
察合臺去世后，把王位留給了孫子合剌旭烈兀，1246年，新大汗貴由讓自己的私友、察合臺的兒子也速蒙哥取代了他。但也速蒙歌站在窩闊臺家族一方，反對蒙哥稱汗，蒙哥即位之后，剝奪了他的汗位，把它重新交給合剌旭烈兀，并授命合剌旭烈兀將他的叔叔處死。從這一系列宮廷政變看出，這時的察合臺汗國還沒有自治，只是哈剌和林的一個屬地。
這種情況在阿魯忽時期發生了變化。合剌旭烈兀死后，他的遺孀一直控制著察合臺汗國。1260年，忽必烈和阿里不哥發生爭奪汗位的斗爭，為了控制西域，他們二人先后均以蒙古大汗的身份，派出自己身邊的察合臺后裔去察合臺汗國爭奪權力。忽必烈派出的阿必失哈在就位途中被阿里不哥的軍隊捕殺，阿里不哥派出的阿魯忽到達阿力麻里，宣布即位。阿魯忽利用阿里不哥的授權，到阿姆河以北地區征集人馬，籌辦糧餉，乘勢吞并了大片原屬朝廷管轄的土地，奪得中亞的控制權。一旦坐大，阿魯忽就背叛了阿里不哥，將征收到的賦稅、馬匹和武器據為己有。1262年，阿魯忽宣布歸順忽必烈。而忽必烈把金山至阿姆河之間的土地交給阿魯忽防守，并承認了察合臺汗國乘阿里不哥之亂控制了阿姆河以北地區的事實。事實上，自此以后，元廷便不再過問阿姆河以北之地的政務。
阿魯忽死后，忽必烈把汗位交給了身邊的察合臺后裔八剌，但此時，中亞進入了“海都時代”。海都是窩闊臺的嫡孫，對蒙古汗位從自己家族轉移到拖雷家族耿耿于懷，與忽必烈爭斗數十年，直到他死為止。忽必烈委命八剌的目的，也是為了在中亞打進一個楔子，鉗制住海都。但八剌即位不久，便與海都妥協了，淪為海都的附庸。標志元廷與察合臺汗國關系變化的另一個重要事件，是八剌、海都和欽察汗蒙哥帖木兒召開的塔剌思忽里臺大會。這是蒙古歷史上第一次沒有得到大汗批準的忽里臺會議，西北三王劃分了各自在阿姆河以北地區和突厥斯坦的勢力范圍。
八剌死后，他的四個兒子和阿魯忽的兩個兒子聯合起來，企圖擺脫海都的控制。海都打敗他們后，把汗位給了八剌的兒子篤哇。篤哇接受了他兄弟們的教訓，向都海表明自己是忠實的臣屬。帖堅古之戰后，海都傷重去世，臨死前把自己汗國諸事托付給篤哇?？赡芎６紱]有來得及指定繼位人，篤哇提議海都的長子察八兒繼位。但察八兒缺乏能力維持海都一手創建的帝國，在篤哇的指引下，一步步走向末路。篤哇向察八兒提議承認鐵穆耳皇帝的宗主權，西北諸王與元廷之間的戰事已持續四十余年，元成宗也早有結束戰爭的意圖。元朝和篤哇的約和，是基于共同削弱窩闊臺汗國這一目標，海都曾是元朝最大的敵人。成宗鐵穆耳慫恿篤哇從海都家族手中奪取對中亞的控制權。1303年8月，篤哇和察八兒承認歸順元朝，這樣，持續四十余年的內戰結束了，蒙古又重歸統一。可是，當篤哇得到元成宗的允諾后，便公開向窩闊臺家族提出領土要求，使兩個汗國長期存在的聯盟破裂了。在也兒的石河一戰中，察八兒被篤哇和鐵穆耳皇帝的聯軍夾擊，別無選擇，向篤哇投降。篤哇對察八兒以禮相待，但收回了伊犁河流域和喀什噶爾，其汗國領土終于完整。
察合臺汗國的衰落經歷了兩個過程，首先是篤哇家族內部為爭奪汗位，使篤哇后裔的勢力逐漸衰敗。篤哇是察合臺汗國的第九任大汗，從他死時的1306年，到第二十六任汗即位的1362年，短短五十六年中，出現了十七位汗，平均三年換一任汗。在諸王爭奪汗位的過程中，諸侯勢力得以坐大，這些諸侯大都出自非成吉思汗家系的蒙古貴族，他們的祖先隨察合臺出征西域后，成為蒙古鎮戍軍留駐當地。在第二十二任汗合贊算端死后，統一的察合臺汗國陷于分裂，各部諸侯紛紛獨立，自擇察合臺后裔立為汗。
合贊算端是最后一位享有權威的察合臺汗國之汗，1346年合贊被弒殺后，原察合臺王室在不同支派的統治下分裂成東、西兩部分，河中地區為西察合臺汗國， 怛邏斯河與瑪納斯河之間的伊塞克湖地區，又稱蒙兀兒斯坦，為東察合臺汗國，被認為是正統察合臺汗位的延續。察合臺汗國東、西兩部為忽闡河為界，察赤（今塔什干）和忽氈以西為“西部”。
元末明初西域最重要的政治變動，是在西察合臺汗國的地面產生了帖木兒帝國。帖木兒的祖先做過察合臺汗國的大臣，1362年，帖木兒起義，與蒙古人作戰時被打傷成了瘸子，被稱為跛子帖木兒。后為贏得察合臺后王信任，將其公主納為妻妾，又被稱作駙馬帖木兒。1264年，他用武力扶持忽辛稱汗，又在1369年將他殺死，建立帖木兒帝國，西察合臺國滅亡。帖木兒在短時間內征服了西察合臺汗國和伊利汗國、欽察汗國的大部分領土，它是繼成吉思汗之后的又一個草原帝國，也是最后一個草原帝國。
1570年，東察合臺汗國時為吐魯番汗國，它的最后一任可汗在與同是察合臺系的葉爾羌汗國交戰時被俘，東察合臺汗國正支汗統結束。但葉爾羌汗國還可認為是東察合臺汗國的延續，至1680年被準格爾汗國滅亡，東察合臺汗國的歷史徹底結束。
