起源
察合台汗国一名是来自察合台王子，因他的领地而得名。它的领域相当于原古儿罕们统治下的喀喇契丹国。察合台汗国(一写察哈台汗国)，名义上为元朝西北宗藩国，由成吉思汗次子察合台依其领地扩建而成。察合台汗国最盛时其疆域东至吐鲁番、罗布泊，西及阿母河，北到塔尔巴哈台山，南越兴都库什山，包括阿尔泰至河中地区(河中地区特指阿姆河与锡尔河之间的大片地区)。斡尔朵(宫帐)设在阿力麻里境内的忽牙思。巴鲁剌思、札剌亦儿和克烈亦惕三部，是该汗国中蒙古族的主体，其统治者是察合台后裔。
建立
窝阔台大汗统治时期，察合台(窝阔台兄)在蒙古帝国的政治生活中居有崇高地位，在重大问题上起着一定的决策作用。他不仅统治了成吉思汗给予的兀鲁思和军队，而且在别失八里(今新疆维吉尔萨尔护堡子)自己的王国中也享有至高的权力。据拉施特《史集》记载，合罕(大汗)经常派去使者就一切重大事件和察合台商议，没有他的意见和同意就不处理这些大事。
察合台汗离世后，其孙子哈剌斡忽勒继承汗位。由于察合台和窝阔台两家族反对蒙哥继承大汗位，所以蒙哥大汗把河中地区交拔都统辖。哈剌斡忽勒的统辖区只限于东部地区，而且本人尚未抵达府邸，就在途中夭折了。按照蒙哥大汗的旨令，乃哈敦(皇后)统治了察合台汗国，长达10年之久。蒙哥大汗死后，成吉思汗家族内部爆发了长期的争夺汗位的斗争。忽必烈、阿里布哥、海都等都企图占据察合台汗国，该地区成为角逐之地。忽必烈曾派供职于他的阿必夫合(察合台曾孙)的儿子兀鲁克去察合台汗国当君主，不幸的是，兀鲁克在途中被阿里布哥的军队所杀害。阿里布哥则派拜答儿(察合台的第六子)的儿子阿鲁忽为察合台汗国的君主，并保证军需的供应，让其注意防备忽必烈军队的侵袭。后来阿鲁忽又从拔都手中夺回了河中地区，使察合台汗国真正成为独立汗国。
统治时期
1264年，阿鲁忽去世。1265年，哈剌斡忽勒的儿子木八剌-沙登上汗位。忽必烈为了控制察合台汗国，于同年派八剌与木八剌-沙共同掌管察合台汗国。木八剌-沙倾向于伊利汗国的阿八哈汗，所以对八剌并不欢迎。于是，八剌按照忽必烈的旨意，串通木八剌-沙的书记官和一部分士兵，进行了推翻木八剌-沙的活动，最后当上了察合台汗国的君主。
阿里布哥与忽必烈的争夺战结束后，窝阔台的孙子海都以叶密立为据点，联合术赤系诸王展开了反对忽必烈的斗争。八剌遵照忽必烈的旨令，率军攻打海都，占领了其中的一部分领土。而术赤系的忙哥-帖木儿又派别儿哥率5万骑兵前去援助海都，使海都重新召集起已四散的军队与八剌交战，结果八剌失利。术赤、察合台、窝阔台系诸王都想独占河中地区，但为调合彼此的矛盾，1269年在阿姆河以东的塔剌思草原集会决定：将河中地区分成三份，分归八剌、海都和忙哥-帖木儿管辖。会上还决定诸王联合起来共同反对忽必烈。塔剌思会议后，八剌与海都结为"安达(义兄弟)，他们清除了忽必烈的拥护者，并没收其资财，继而将矛头指向托雷系的伊利汗国。1270年，八剌发兵侵扰呼罗珊(今阿姆河以南，兴都库什山脉以北地区)，海都派钦察和察八忒(脑忽之子)率军前去援助，八剌军占领了呼罗珊的大部分地区，并抄掠了尼沙布儿等地。钦察和察八忒却按海都的指示离开八剌回师。七月，八剌的军队被伊利汗国的阿八哈汗军队击败，仅率残军5000人逃往布哈拉。八剌到达布哈拉后改信伊斯兰教，集兵3万人，准备分两路讨伐钦察和察八忒，未及，病故于布哈拉。八剌死后，布花帖木尔继承汗位。
布花帖木尔在位后，统治集团内部又发生分裂，八剌的长子伯帖木儿等率众投奔忽必烈;木八剌-沙及哈剌斡忽勒二人的诸子则投奔了阿八哈汗。
1274年，海都将察合台汗国的汗位交给八剌之子都哇，统治长达32年之久。都哇在位期间，把矛头指向伊利汗国和忽必烈的统治。他曾占领了伊利汗国的哥疾宁(今阿富汗加兹尼)，并以此为基础，几次远征印度，进入旁遮普和信德，但在哥疾宁和印度均未建立起自己的统治。1298年，都哇又袭击驻守于金山一线的元朝军队，俘杀守将汪古部首领阔里吉思。1301年，都哇、海都率军与元朝军队大战于帖坚古山(阿尔泰山与札卜哈河之间)，都哇中箭受伤，海都亦受伤致死。都哇与海都之子察八儿被迫向元成宗请和，重新承认元朝皇帝的宗主地位。不久，都哇与元朝联兵击败察八儿，吞并了大部分窝阔台汗国领地。
1302年海都因伤去世后，都哇成为察合台汗国的实际统治者，他把汗国的东部土地交给海都的儿子察八儿统治。但察八儿却想控制整个察合台汗国，与都哇发生了权力之争。都哇和察八儿之间的斗争，为元朝廷干预汗国之事提供了方便。元朝统治者都支持都哇，迫使察八儿屈从了都哇。从此，窝阔台系失去了对察合台汗国的统治权。
1306年，都哇病逝，宽彻继立为汗，继续实行与元朝友好的政策。1309年，都哇的长子怯伯汗即位，以察八儿为首的窝阔台系诸王联合起来向怯伯汗发动了武装进攻，在几次战役中都被击败，最后投奔了曲律汗(武宗)。窝阔台家族的领地被察合台家族所占领，其臣民的一部分归属于察合台家庭，另一部分则成为钦察(金帐)汗国的臣民。窝阔台汗国于1310年被并入到察合台汗国中。
怯伯汗即位不足一年，就将汗位让给自己的兄弟也先布花。在也先布花统治汗国时期，为扩大牧场，率军入侵元朝，被元军击败。为弥补损失，他又入侵伊利汗国，元军乘机再度深入中亚草原，他才被迫撤兵。
1318年，怯伯汗又重新登位。当时，河中地区正处于财政混乱、政权机构不相统一的无秩序状态。怯伯汗在河中地区进行了货币改革，制造了全国通用的银币;在政权设置上取缔了双重行政机构，统一设置了万户，由汗委派的代表进行管理。
怯伯统治时期，察合台汗国与元朝恢复友好关系，双方经常遣使往来。汗国统治中心逐渐西移。1330年，怯伯弟笃来帖木儿继承汗位。同年，元政府颁布《经世大典》，其中附图称察合台汗国为笃来帖木儿位下，与钦察汗国、伊利汗国相并列。
