察合臺汗國原為察合臺的封地，后發展成統治中亞地區的蒙古汗國，其疆域最盛時東至吐魯番、羅布泊，西達阿姆河，北到塔爾巴哈臺山，南越興都庫什山。
1241年察合臺死，原定繼承人第二子抹土干西征時戰死，便以抹土干第四子合剌旭烈繼承汗位。
1246年，窩闊臺長子貴由繼為蒙古第三代大汗，因與察合臺第五子也速蒙古哥友善，遂改立其為察合臺汗。
1248年貴由汗去世后，也速蒙古哥與窩闊臺系諸王一起反對擁立拖雷系的蒙哥為大汗。蒙古哥即蒙古第四代大汗位后，遂派合剌旭烈回國復位。
合剌旭烈途中病死，其妻兀魯忽乃殺也速蒙哥自為監國。1259年蒙哥死，其二弟忽必烈與四弟阿里不哥(時三弟旭烈兀遠在波斯)互爭汗位，兵連不解。
阿里不哥派察合臺之孫阿魯忽去阿力麻里奪取察合臺汗國統治權。阿魯忽從兀魯忽乃手中奪取汗國權力后，轉而支持忽必烈。阿里不哥遂親率大軍，進攻阿魯忽。
阿魯忽先敗后勝，并娶兀魯忽乃為妻，以穩定其統治。1265年阿魯忽死，兀魯忽乃未經大汗忽必烈批準，自立己子木八剌沙為汗。
忽必烈于是派抹土干之孫八剌回國承襲汗位。但取得汗位后，即背叛了忽必烈。1269年，八剌與窩闊臺之孫海都、術赤后王忙哥帖木兒在答剌速河(塔拉斯河)畔召開忽里臺，劃分各自勢力范圍。
察合臺汗國的騎兵
1271年八剌死，八剌之子篤哇在海都支持下戰勝敵手，于1275年即汗位。此后數十年，以海都、篤哇為首的西北諸王，聯絡東北諸王，與忽必烈為敵。
1301年，海都受傷死去，篤哇亦中箭受傷。1303年篤哇遂與海都之子察八兒向元請和。
1306年篤哇死，察合臺汗國汗位基本上都由其子孫繼承。在其子答兒麻失里在位時(1331—1334)，曾下令放棄佛教，皈依伊斯蘭教。但答兒麻失里不久即為其侄不贊所殺。
不贊改變其宗教政策，優待基督教、猶太教。不贊堂弟敝失常駐阿力麻里，羅馬教廷派出許多傳教士到此傳教。
察合臺汗國東部以畜牧業經濟為主，而西部河中地區以農業經濟為主，東西兩部逐漸走上獨立發展的道路。
西部河中地區，在巴魯剌部貴族帖木兒統治下發展為帖木兒帝國。在東部、杜格拉特部貴族布拉吉于1348年在阿克蘇擁立禿黑魯帖木兒為汗，目前學術界稱之為東察合臺汗國。
