起源
察合臺汗國一名是來自察合臺王子，因他的領地而得名。它的領域相當於原古兒罕們統治下的喀喇契丹國。察合臺汗國(一寫察哈臺汗國)，名義上爲元朝西北宗藩國，由成吉思汗次子察合臺依其領地擴建而成。察合臺汗國最盛時其疆域東至吐魯番、羅布泊，西及阿母河，北到塔爾巴哈台山，南越興都庫什山，包括阿爾泰至河中地區(河中地區特指阿姆河與錫爾河之間的大片地區)。斡爾朵(宮帳)設在阿力麻裏境內的忽牙思。巴魯剌思、札剌亦兒和克烈亦惕三部，是該汗國中蒙古族的主體，其統治者是察合臺後裔。
建立
窩闊臺大汗統治時期，察合臺(窩闊臺兄)在蒙古帝國的政治生活中居有崇高地位，在重大問題上起着一定的決策作用。他不僅統治了成吉思汗給予的兀魯思和軍隊，而且在別失八里(今新疆維吉爾薩爾護堡子)自己的王國中也享有至高的權力。據拉施特《史集》記載，合罕(大汗)經常派去使者就一切重大事件和察合臺商議，沒有他的意見和同意就不處理這些大事。
察合臺汗離世後，其孫子哈剌斡忽勒繼承汗位。由於察合臺和窩闊臺兩家族反對蒙哥繼承大汗位，所以蒙哥大汗把河中地區交拔都統轄。哈剌斡忽勒的統轄區只限於東部地區，而且本人尚未抵達府邸，就在途中夭折了。按照蒙哥大汗的旨令，乃哈敦(皇后)統治了察合臺汗國，長達10年之久。蒙哥大汗死後，成吉思汗家族內部爆發了長期的爭奪汗位的鬥爭。忽必烈、阿里布哥、海都等都企圖佔據察合臺汗國，該地區成爲角逐之地。忽必烈曾派供職於他的阿必夫合(察合臺曾孫)的兒子兀魯克去察合臺汗國當君主，不幸的是，兀魯克在途中被阿里布哥的軍隊所殺害。阿里布哥則派拜答兒(察合臺的第六子)的兒子阿魯忽爲察合臺汗國的君主，並保證軍需的供應，讓其注意防備忽必烈軍隊的侵襲。後來阿魯忽又從拔都手中奪回了河中地區，使察合臺汗國真正成爲獨立汗國。
統治時期
1264年，阿魯忽去世。1265年，哈剌斡忽勒的兒子木八剌-沙登上汗位。忽必烈爲了控制察合臺汗國，於同年派八剌與木八剌-沙共同掌管察合臺汗國。木八剌-沙傾向於伊利汗國的阿八哈汗，所以對八剌並不歡迎。於是，八剌按照忽必烈的旨意，串通木八剌-沙的書記官和一部分士兵，進行了推翻木八剌-沙的活動，最後當上了察合臺汗國的君主。
阿里布哥與忽必烈的爭奪戰結束後，窩闊臺的孫子海都以葉密立爲據點，聯合朮赤系諸王展開了反對忽必烈的鬥爭。八剌遵照忽必烈的旨令，率軍攻打海都，佔領了其中的一部分領土。而朮赤系的忙哥-帖木兒又派別兒哥率5萬騎兵前去援助海都，使海都重新召集起已四散的軍隊與八剌交戰，結果八剌失利。朮赤、察合臺、窩闊臺系諸王都想獨佔河中地區，但爲調合彼此的矛盾，1269年在阿姆河以東的塔剌思草原集會決定：將河中地區分成三份，分歸八剌、海都和忙哥-帖木兒管轄。會上還決定諸王聯合起來共同反對忽必烈。塔剌思會議後，八剌與海都結爲"安達(義兄弟)，他們清除了忽必烈的擁護者，並沒收其資財，繼而將矛頭指向託雷系的伊利汗國。1270年，八剌發兵侵擾呼羅珊(今阿姆河以南，興都庫什山脈以北地區)，海都派欽察和察八忒(腦忽之子)率軍前去援助，八剌軍佔領了呼羅珊的大部分地區，並抄掠了尼沙布兒等地。欽察和察八忒卻按海都的指示離開八剌回師。七月，八剌的軍隊被伊利汗國的阿八哈汗軍隊擊敗，僅率殘軍5000人逃往布哈拉。八剌到達布哈拉後改信伊斯蘭教，集兵3萬人，準備分兩路討伐欽察和察八忒，未及，病故於布哈拉。八剌死後，布花帖木爾繼承汗位。
布花帖木爾在位後，統治集團內部又發生分裂，八剌的長子伯帖木兒等率衆投奔忽必烈;木八剌-沙及哈剌斡忽勒二人的諸子則投奔了阿八哈汗。
1274年，海都將察合臺汗國的汗位交給八剌之子都哇，統治長達32年之久。都哇在位期間，把矛頭指向伊利汗國和忽必烈的統治。他曾佔領了伊利汗國的哥疾寧(今阿富汗加茲尼)，並以此爲基礎，幾次遠征印度，進入旁遮普和信德，但在哥疾寧和印度均未建立起自己的統治。1298年，都哇又襲擊駐守於金山一線的元朝軍隊，俘殺守將汪古部首領闊裏吉思。1301年，都哇、海都率軍與元朝軍隊大戰於帖堅古山(阿爾泰山與札卜哈河之間)，都哇中箭受傷，海都亦受傷致死。都哇與海都之子察八兒被迫向元成宗請和，重新承認元朝皇帝的宗主地位。不久，都哇與元朝聯兵擊敗察八兒，吞併了大部分窩闊臺汗國領地。
1302年海都因傷去世後，都哇成爲察合臺汗國的實際統治者，他把汗國的東部土地交給海都的兒子察八兒統治。但察八兒卻想控制整個察合臺汗國，與都哇發生了權力之爭。都哇和察八兒之間的鬥爭，爲元朝廷干預汗國之事提供了方便。元朝統治者都支持都哇，迫使察八兒屈從了都哇。從此，窩闊臺系失去了對察合臺汗國的統治權。
1306年，都哇病逝，寬徹繼立爲汗，繼續實行與元朝友好的政策。1309年，都哇的長子怯伯汗即位，以察八兒爲首的窩闊臺系諸王聯合起來向怯伯汗發動了武裝進攻，在幾次戰役中都被擊敗，最後投奔了曲律汗(武宗)。窩闊臺家族的領地被察合臺家族所佔領，其臣民的一部分歸屬於察合臺家庭，另一部分則成爲欽察(金帳)汗國的臣民。窩闊臺汗國於1310年被併入到察合臺汗國中。
怯伯汗即位不足一年，就將汗位讓給自己的兄弟也先布花。在也先布花統治汗國時期，爲擴大牧場，率軍入侵元朝，被元軍擊敗。爲彌補損失，他又入侵伊利汗國，元軍乘機再度深入中亞草原，他才被迫撤兵。
1318年，怯伯汗又重新登位。當時，河中地區正處於財政混亂、政權機構不相統一的無秩序狀態。怯伯汗在河中地區進行了貨幣改革，製造了全國通用的銀幣;在政權設置上取締了雙重行政機構，統一設置了萬戶，由汗委派的代表進行管理。
怯伯統治時期，察合臺汗國與元朝恢復友好關係，雙方經常遣使往來。汗國統治中心逐漸西移。1330年，怯伯弟篤來帖木兒繼承汗位。同年，元政府頒佈《經世大典》，其中附圖稱察合臺汗國爲篤來帖木兒位下，與欽察汗國、伊利汗國相併列。
