成吉思汗分封时，窝阔台和察合台兀鲁思都被指定在阿勒泰山和天山之间。因反对蒙哥称汗，两系宗王遭到严厉的镇压，份地也被切割分离，版图大大缩小，这种情况一直延续到忽必烈称汗之前。1260年，忽必烈开始了与阿里不哥长达四年的争位战，为了争取西道诸王的支持，忽必烈宁可放弃对西域的直接统治，他承诺把阿勒泰以西直至阿姆河之地交给察合台后王阿鲁忽治理，成功策反了阿鲁忽。但察合台汗国的势力，立即受到了窝阔台后王海都的挑战。海都利同两汗争位，顾此失彼，在西域迅速崛起。
1267年，海都邀约察合台后王八剌、钦察汗蒙哥帖木儿在塔剌思举行忽里台大会，三王达成妥协，将目标对准忽必烈的元朝和伊利汗国。八剌并没有得到他想要的阿姆河以北的牧地，只是得到海都的承诺，支援他越过阿姆河攻击伊利汗国，从那里得到他想要的地块。在海都时期，察合台汗国实际上是窝阔台汗国的附庸。八剌死后，海都把汗位交给了八剌的儿子笃哇。
从1270年直到1301年，海都与元朝为争夺畏兀儿及塔里木盆地反复交战，海都多次攻入岭北的蒙古草原，逼迫元朝收缩在西部的战线。1301年海都亲率两系大军在哈剌和林以西的帖坚古之地，与铁穆尔率领的元军发生战争，海都可能是因为受伤，在归途中死去。
海都死后，中亚形势遂发生三方面的重大变化。一是笃哇在海都临终前受托扶助其子察八儿，元成宗借机拉拢笃哇，怂恿他从海都家族手中夺取对中亚的控制权。笃哇得到元成宗的授意后，便公开向窝阔台家族提出领土要求，使两汗国的长期联盟开始破裂。二是两汗国改变对元立场，以元朝承认他们在西北地区的特权为条件，与元朝约和，笃哇、察八儿与元朝的和议，是在1303年达成的。其三，元朝与两系汗国的约和，真正起决定作用的是察合台汗国的笃哇，而元朝与笃哇约和，是基于共同削弱窝阔台汗国势力这一目的。这时，笃哇已经产生吞并窝阔台汗国的愿望。
笃哇为了把元成宗许诺给他的土地从窝阔台汗国的控制下夺到手，于是发生了两系宗王间的武装冲突。元朝与窝阔台汗国对立数十年，心有余悸，乘两系宗王争端，帮助察合台汗国削弱窝阔台汗国。也儿的石河战役后，察八儿穷途末路，被迫向笃哇投降。笃哇收容了察八儿随后废黜出了他，扶立海都另一子仰吉察儿。
从海都死，到废黜察八儿，笃哇只用了五年的时间，在元成宗的支持下，搞垮了窝阔台汗国。察八儿被废后，窝阔台汗国沦为笃哇的附庸，但它作为一个政治实体还存在，由仰吉察儿管辖。
但仰吉察儿最终感到无法在强邻察合台汗国之侧立足，唯一的出路是归降元廷，然后寻机复国。1309年，仰吉察儿率诸近臣、近亲和七千骑投奔元朝。而察八儿虽然被仰吉察儿取代，但元廷仍视其为窝阔台兀鲁思汗。仰吉察儿的下场可谓悲惨，当他们一行抵达大都时，仰吉察儿即被鸩杀。察八儿投奔元朝，窝阔台汗国灭亡。
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