在成吉思汗出征金国中都（今北京）附近停留期间，花剌子模沙（国王）阿拉乌定·摩诃末（穆罕默德）派遣使节晋见成吉思汗，其目的是为了了解蒙古征服金国后的真实情况。成吉思汗盛情款待了使团成员。
1216年，成吉思汗派使者和商队回访花剌子模国（居今黑海东、威海西，锡尔河南）。1218年春，花剌子模沙在布哈拉接见了蒙古使者，同意成吉思汗的提议，双方缔结了和平通商协定。
可是事后不久，双方就发生了两起伤害友好关系的事件。第一件是边界纠纷和武装冲突。速不台消灭以忽都为首的篾儿奇惕残余势力，正待胜利回师时，遭到花剌子模沙的追击，一直追到谦谦州（今叶尼塞河），冲突中，花剌子模沙差点被俘。此后，当哲别受命消灭西辽时，花剌子模又抢先占领了直到讹答剌（在锡尔河上游）为止的原属西辽的领地，挑起了两国间的边界纠纷。
第二件是商队被害事件。1218年，成吉思汗根据蒙古和花剌子模两国达成的通商协议，派出由450人组成的大商队，用500峰骆驼驮着金、银、丝绸、貂皮等贵重商品，带着成吉思汗给花剌子模沙的信前往花剌子模。然而有人报告摩诃末说，商队中有成吉思汗的密探。
摩诃末在没有弄清事情真相的情况下，便下令处决商队成员，并没收其全部财物。亦纳勒出黑遵照摩诃末的命令，杀害蒙古商队成员，其中只有一人从牢里逃出，得以幸免，向成吉思汗报告了商队被害经过。
成吉思汗决定亲率大军向花剌子模问罪，令其弟斡赤斤留守蒙古，木华黎继续率军与金朝作战。1219年六月，蒙古大军从克鲁伦河畔出发，越阿尔泰山至也儿的石河（额尔齐斯河）畔度夏。术赤、察合台、窝阔台、托雷及大将速不台、哲别、大断事官失吉忽图忽等随行。
总计兵力10至15万（当时被蒙古征服西夏拒绝出兵，结果导致蒙古出兵西夏）。
当时，花剌子模虽是一个大国，有兵40万，但是，大部分领土是刚刚兼并的，统治还未稳固，而且统治上层内部不团结，摩诃末与其母亲秃儿罕可敦及其所属的突厥、康里部落首领不和。另外，摩诃末与速不台所率蒙古军交锋后，亦知蒙古军善战，因此，蒙古军到来时，摩诃末没有率军迎敌，下令各地坚守城镇，采取了消极防御的战略。
1219年秋，蒙古军经长途行军至讹答剌。在此兵分四路，一路由察合台和窝阔台率军攻讹答剌；一路由术赤沿忽章河（锡尔河）攻其下游城市毡的；一路由阿剌黑那颜率领攻打上游的别纳客忒（今乌兹别克斯坦塔什干南）、忽毡（今塔吉克斯坦列宁纳巴德市）等地；一路由成吉思汗与拖雷率主力渡锡尔河，越沙漠直趋河中地区的不花剌。
1220年三月，术赤等三路军马全部占领了锡尔河两岸的城市，成吉思汗的中路军也占领了伊斯兰教的文化中心布哈拉城，完全切断了花剌子模新都撒马尔罕（今乌兹别克斯坦主要城市）和旧都乌尔根奇（今土库曼尼亚城市，汉籍曾写为兀龙格赤）之间的交通。
1220年五月，蒙古四路大军在撒马尔罕城下会师，合围撒马尔罕。经过6天的苦战，才得以攻克撒马尔罕城。当时撒马尔罕城守军约11万。城破之前，花剌子模沙已从城内逃跑，成吉思汗遂命耶律阿海留守城内，哲别、速不台率3万骑兵追击摩诃末；窝阔台率术赤、察合台进攻兀龙格赤；成吉思汗和托雷向阿富汗推进，进攻巴里黑（今阿富汗马札里沙夫西）、塔里寒（今阿富汗塔利甘）等地。
哲别等奉命专追摩诃末，一路不停驻，也不杀掠，紧追不舍。摩诃末东躲西逃，最后逃到里海南岸一个岛上，大约于年底病死，传位于其子札兰丁。
1220年七月，窝阔台率领的5万兵马攻打乌尔根奇。当时，城内守将是忽马尔，统帅着11万大军，日夜坚守。该城防卫工事十分坚固。蒙古军在城周围安营扎寨，一面遣使召谕居民投降，一面忙于做攻城前的准备。待攻城的器械齐备后，蒙古军立即向城内发动了全面进攻。于当日破城，进入街区后，士兵到处烧杀，由于居民的顽强抵抗，蒙古军不得不转入巷战。袭击阿姆河桥的3000蒙古兵，无一生存。经过7天的激烈战斗，才占领了全城。根据志费尼《世界征服者史》记载，乌尔根奇的11万守军，全部阵亡。工匠和妇女、儿童被当作俘虏，运送到蒙古。乌尔根奇（兀龙格赤）的失守，使河中地区全部被蒙古军占领。
之后，成吉思汗和托雷率军南下，先后攻占了那黑沙、忒耳迷（今乌兹别克斯坦的卡儿施、贴尔美兹）和巴里黑。托雷带领一支由万人组成的精锐部队，由巴里黑出发，向呼罗珊诸州（今阿姆河以南，兴都库什山脉以北地区）进军。成吉思汗转向塔里寒。由于塔里寒城堡军民的英勇抵抗，使蒙古军久攻不克，直到托雷率大军增援，塔里寒才被占领。
蒙古军主力进入呼罗珊地区后，札兰丁在哥疾宁集结军队，与蒙古军作战，在今阿富汗境内查里卡东北的八鲁湾打败了由成吉思汗养弟失吉忽秃忽率领的三万蒙古军。
于是成吉思汗亲自率军火速迎击札兰丁。在途经古儿疾汪（今阿富汗境内）、范延时，遭到当地人民的顽强抵抗。在攻占范延的战斗中，察合台的长子木图干中流矢阵亡。成吉思汗为了报仇，将范延城内的居民全部杀戮。当成吉思汗率军来到哥疾宁城时，札兰丁已于15天前离开该城，向印度河方向逃遁，企图在北印度建立据点，继续抵抗蒙古军，以收复失地。
成吉思汗命窝阔台镇守哥疾宁，亲率大军追击札兰丁。1221年十月，两军在申河北岸相遇，经过激战，札兰丁的六七万大军全部覆没，札兰丁纵马入河，游至对岸，仅剩4000余名跟随者逃往印度。
1221年冬，成吉思汗在不牙迦图儿驻营，休整部队。第二年春，到白沙瓦（今巴基斯坦北部）取原路返回。巴剌率领的蒙古军继续追击札兰丁余部，一路未见其踪迹，再加上时值炎夏，难以适应北印度的气候条件，就于1223年撤回，在巴鲁安与成吉思汗会师。九月，成吉思汗渡阿姆河，在撒马尔罕城东下营，十月下诏班师。1224年到也儿的石河（额尔齐斯河）驻夏，翌年二月回到土拉河行宫。
成吉思汗占领花剌子模国后，命长子术赤镇守，并在各城设置达鲁花赤（督官）。乌尔根奇城的牙老瓦赤、马里忽惕（属忽鲁木石氏）父子二人向成吉思汗提出了管理城邑的办法，得到允准，遂派马思忽惕同达鲁花赤共同管理布哈拉、撒马尔罕、乌尔根奇等中亚城市，派牙老瓦赤管理中都（今北京）。
成吉思汗通过发动对西夏、金朝的战争，统一了我国北方黄河以北的大部分地区，为其子孙统一中国奠定了基础。又西征花剌子模，为后来征服欧亚草原开辟了道路。
窝阔台南征
1227年，成吉思汗出征西夏期间，病死于秦州清水县，终年66岁。成吉思汗生前留下遗嘱，以其第三子窝阔台为汗位继承人。
不过，蒙古国的汗位继承设有订立严格的制度，大汗指定的候选人需要经过“忽里台”选举才能成为合法继承人。因成吉思汗死后两年，战事繁忙，“忽里台”选举一直没及时举行，而只是按蒙古幼子继承家产的习惯，由拖雷暂时代理国家政事。
1229年秋，拖雷按成吉思汗的遗嘱，召集东西道诸王及大臣在怯绿连河畔的阔迭额阿剌勒举行忽里台，西道宗王术赤已先于成吉思汗死去，其子斡儿达、拔都与叔父察合台一同前来参加，成吉思汗弟铁木哥斡赤斤为首的东道诸王也都参加了忽里台，在忽里台上大家共同推举窝阔台为大汗。
窝阔台即位后，继续推行对外扩张政策，并把攻灭金国作为首要的目标。1230年，窝阔台汗与弟拖雷率军由山西渡黄河入陕西。1231年，蒙古军破凤翔，金朝弃京兆（今西安），迁民于河南，尽弃潼关以西地区。
1231年夏，金朝设重兵把守潼关和黄河一线，蒙古军久攻不破。
于是按拖雷的提议，蒙古军分兵三路攻金，窝阔台汗统中路，渡黄河向洛阳进兵；铁木哥斡赤斤率东路军由山东济南进军；拖雷率西路军由陕西宝鸡南下，进入宋朝境内，沿汉水至唐（今河南唐县）、邓（今河南邓县），形成对金朝的包抄之势；约定于次年正月会师于金朝都城南京（今河南开封）。秋天，窝阔台汗率中路军强渡黄河进屯郑州，金朝黄河防线瓦解。拖雷率西路军出宝鸡，向宋朝借路被拒绝，强行攻入宋境，直趋唐、邓。金朝获悉西路蒙古军南下包抄南京，调遣守潼关的20万大军南下阻截蒙古军，保卫京师。大将完颜合达和移剌蒲阿率军自阌乡（今河南灵宝西）到邓州，设伏于邓州西的禹山，将蒙古军击退。
拖雷西路军兵不足4万，故避开金军主力，分路进军南京，完颜合达等率军尾随追击，入援南京。拖雷率军一边行军一边袭扰跟随的金军，使金军疲惫不堪。1232年春，金军追至河南钧州（今河南禹县）南三峰山，时值大雪，拖雷趁金军冻饿疲惫发动猛攻，金军溃散，完颜合达、扬沃衍逃入钧州。窝阔台汗率军至，蒙古军攻破钧州城，完颜合达、扬沃衍自杀。
三峰山一役，金军主力被歼，潼关守将也献关投降蒙古，蒙古军又攻占河南十余州县，会师南京。窝阔台汗命速不台等继续围南京，自己率主力北还。拖雷在北返途中病故。
速不台率军围困南京，南京粮尽，金向南宋求援，不应。1233年初，金哀宗带部分人突围，逃至归德（今河南商丘），南京守将投降蒙古。金朝虽大势已去，但中京（今河南洛阳）、归德等城久攻不下。三峰山之役后，金朝汉族土豪武仙收溃军10万屯于唐、邓山中继续抗击蒙古军。1232年底，蒙古遣使约宋朝联合灭金，得到了宋理宗同意，约定灭金后黄河以南地区归宋。
1233年，宋襄阳守将孟珙击败武仙军，夺邓州。同年夏，金哀宗自归德再迁蔡州（今河南汝阳县），蒙古军又围蔡州。1234年春，蒙古军在南宋军队配合下攻克蔡州，金哀宗自杀，金朝灭亡，蒙古统一黄河以北地区。
蒙宋共同出兵灭金之后，蒙古与南宋达成协议，蔡州（今河南汝阳县）、陈州（今河南淮阳）西北属蒙古，以南属宋朝。1234年初，蒙古军主力北撤，南宋乘河南地区空虚，出兵收复了三京（西京洛阳、东京开封、南京归德）以及河南其他地方。蒙古立即派兵反击，宋军放弃刚占领的汴、洛等地败退回境。年底，蒙古遣使指责南宋破坏和约，挑起事端，并以此为借口准备出征南宋。
1235年，蒙古军分东、西两路出征南宋。东路军由皇子阔出等人率领南下攻打长江中游一带。1236年，南宋襄阳守军降蒙，蒙古军南下深入到今安徽、湖北地区后退回，宋军恢复襄阳等地。西路军由皇子阔端等人率领攻打四川，于1236年、1238年、1241年连续三次侵入四川，攻下大部分城镇后退回。这时期蒙古征宋，仅以讨伐和抢掠为目的，没有占领攻下的南宋地方。
蒙军的西征
成吉思汗西征东归后，花剌子模首领札兰丁自印度回到波斯地区，恢复了花剌子模西北部地区，还出兵攻打巴哈塔哈里发，侵扰邻近诸小国。窝阔台汗即位后，派绰儿马罕率军三万征讨札兰丁。
1230年，蒙古军急速进兵，穿过呼罗珊、木剌夷，冬季抵达阿哲儿拜占。札兰丁退入木干草原，在蒙古军追击下东逃西窜，1231年8月，在今土耳其境内东部山区被一库尔德农夫杀死，花剌子模国彻底灭亡。绰儿马罕受命镇守于此，还征服了周围诸国。绰儿马罕死后，其子拜住统军，他们起用波斯人管理这一地区，叙利亚的大马士革王也向其称臣纳贡。
而蒙古的西征并没有结束，蒙古灭金之后，窝阔台汗召开忽里台，会上决定再次征讨钦察、斡罗思等未服诸国，以长子属下兵力强盛，命诸王派长子出征。成吉思汗长子术赤的次子拔都、察合台长子木秃坚之子不里、窝阔台汗长子贵由、拖雷长子蒙哥等都率军出征，拔都为全军统帅，蒙古名将速不台、兀良合台协助拔都指挥。史称长子西征，或拔都西征。
1236年春，西征军出发，秋天抵达不里阿耳（今伏尔加河上游地区），破其城。冬季至亦的勒河（今伏尔加河下游），这里的钦察人投降，以八赤蛮为首的另一部分钦察人继续抵抗，至1237年春，最终被征服。
1237年秋，拔都召集出征宗王大会，商定继续出征斡罗思。蒙古军出征后，迅速击败不能团结对敌的斡罗思各公国，1240年，攻破其宗主国乞瓦国都，征服了全部斡罗思，一部分贵族逃入马札儿（即今匈牙利）。
在拔都率军攻打斡罗思之时，贵由和蒙哥率军于1239年进入阿速地区，征服了阿速部。1239年秋，贵由、蒙哥奉命返回蒙古。
1241年春，蒙古军兵分二路，一路由察合台子拜答儿、大将兀良合台等率领入侵孛烈儿（波兰），一路由拔都和大将速不台等率领入侵马札儿。拜答儿等率军长驱直入孛烈儿，当时孛烈儿是由若干小封国构成的，各自为政。国王博列思老见蒙古军攻来，弃都城克剌可夫逃走。蒙古军进入昔烈西亚，渡奥得河，攻其都城弗洛茨拉夫。昔烈西亚侯亨利退屯里格尼志城，集结孛烈儿军、日耳曼十字军和条顿骑士团三万人迎敌。蒙古军遂舍弗洛茨拉夫，进至里格尼志城，败孛烈儿军，亨利战死。又南下攻入莫剌维亚，各地坚守城池，久攻不下，遂撤军往马札儿与拔都会师。
拔都率蒙古军主力分三路侵入马札儿，当时马札儿领土很大，包括今匈牙利、斯洛伐克及南斯拉夫一带，南至亚得里亚海，建都于佩斯城。三月，蒙古军至佩斯城附近。四月，国王别剌四世率马札儿军和援军六万人迎战，兵败，佩斯城被攻破。蒙古军在秃纳河（今多瑙河）以东度夏。十二月，趁冰封渡过秃纳河，攻陷格兰。
蒙古军队征服斡罗思，侵入奥匈，大大震动了西欧各国，他们惊呼“黄祸”来了。西欧许多城市修筑工事，罗马教皇也发出号召准备组织十字军。但是，由于斡罗思和东欧各国人民的奋勇抵抗，蒙古军队已经无力西进了。1242年四月窝阔台去世的消息传到蒙古军营，拔都率军东撤。
贵由汗即位
1241年窝阔台汗去世。当时诸王随拔都西征未归，成吉思汗幼弟铁木哥斡赤斤乘机率军西来，图谋篡位，幸好贵由及西征诸王及时赶回，其阴谋没有得逞。
窝阔台在世时，曾确定第三子阔出为大汗继位人，但阔出却死于征宋战场。窝阔台将阔出的长子失烈门养在汗廷，并曾说过“失烈门将成为大位的继承者和继任人”。因此当时不少人认为应该根据先可汗窝阔台的遗嘱，让失烈门继承汗位。但失烈门当时还是一个尿床的小孩子，根本不能处理军国大事。
