成吉思汗的正妻孛儿帖生有四个儿子：长子术赤、次子察合台、三子窝阔台、四子拖雷。他们少年时代就随父出征，能征惯战，为蒙古帝国立下了汗马功劳。他们好比帝国的四根台柱，成吉思汗按照四个儿子的特长与才能，让术赤管狩猎，察合台掌法令，窝阔台主朝政，拖雷统军队。
西征时，忽兰夫人对成吉思汗说：“诸皇子中，嫡子有四人，主上万岁后应由何人继承？”成吉思汗认为此言有理，当下召见诸弟和诸子，议定将来由窝阔台为汗位继承人。
后来，成吉思汗临死前，再次把诸子召到身边，要他们服从窝阔台的领导，兄弟间要精诚团结。
不久，成吉思汗病死。由于蒙古的诸王大会制仍然在起作用，必须等待大会的最后决定，所以窝阔台不能因父亲的遗命即位。
在汗位空悬的两年里，蒙古汗国的军政由成吉思汗的四子拖雷、女儿阿剌海别处理，两人因此被称为“监国皇子”和“监国公主”。窝阔台是成吉思汗第三子，早年随父亲征服漠北诸部，参与西征、攻金、灭西夏等战争。
经诸王大会选举，窝阔台即大汗位，史称元太宗。其时，有人反对成吉思汗的遗命，主张立幼子拖雷。大会争议了40天，因长子术赤已死，次子察合台全力支持窝阔台，拖雷势力孤单，只得拥立其兄窝阔台即位。
阿剌海别虽是监国公主，但由于她是女子，她及她的儿孙不可能继承汗位；而同样曾为监国的拖雷就大不一样了。拖雷在成吉思汗诸子中身份特殊。因为他是成吉思汗嫡妻孛儿帖为成吉思汗所生的最小的儿子，而蒙古人有“幼子守产”的习俗，拖雷虽未能得到父亲的汗位，却得到了父亲绝大部分的财产，其中包括营地、家室、财库、军队。其中光是军户一项，四子拖雷名下就有十万一千户，而新任大汗三子窝阔台却只有四千户。窝阔台称汗五年后，蒙古人联宋灭金。就在南征北返的路上，蒙古诸王中实力最为雄厚的拖雷神秘地死去，其实就是被窝阔台用慢性毒药毒死了。
窝阔台称汗后，采纳耶律楚材的建议，进行了一系列改革。
耶律楚材是辽太祖耶律阿保机的九世孙，自幼学习汉籍，精通汉文，博览群书，旁通天文、地理、律历、术数及释老医卜之说，下笔为文，浑然天成，曾做过金国开州同知、左右司员外郎。
成吉思汗十年（1215年），蒙古军攻占燕京，成吉思汗听说耶律楚材才华横溢，满腹经纶，便派人向他咨询治国大计。耶律楚材早已对腐朽的金王朝失去信心，便决定辅佐成吉思汗，拯救水深火热中的中原百姓。
成吉思汗十四年（1219年），耶律楚材随成吉思汗西征，向成吉思汗讲授征伐、治国、安民之道，屡立奇功，备受器重。
成吉思汗二十一年（1226年），耶律楚材随成吉思汗征西夏，建议禁止州郡官吏擅自征税，杀戮百姓，使贪暴之风有所收敛。窝阔台即位后，耶律楚材倡立朝仪，劝亲王察合台等人行君臣之礼，以尊汗权。从此，耶律楚材日益受到重用，被誉为社稷之臣。窝阔台令其执掌中原地区赋税事宜，于是耶律楚材建议颁行《便宜一十八事》，设立州郡长官，使军民分治；制定初步法令，反对改汉地为牧场；建立赋税制度，设置燕京等十路课税所。
元太宗三年（1231年），耶律楚材出任中书令，即丞相。此后，他积极恢复文治，逐步实施以儒治国的方案，定制度、议礼乐、立宗庙、建宫室、创学校、设科举、拔隐逸、访遗老、举贤良、求方正、劝农桑、抑游惰、省刑罚、薄赋敛、尚名节、斥纵横、去冗员、黜酷吏、崇孝悌、赈困穷。
耶律楚材在政治、经济、文化各方面殚精竭虑，创建颇多。主要有保护农业，实行封建赋税制度；改革政治体制，提拔重用儒臣；反对屠杀，保护百姓生命；禁止掠民侵民，实行编户制度；反对滥行课税，禁止以权谋私；主张尊孔重教，整理儒家经典。
在耶律楚材的努力下，新兴的蒙古贵族逐渐放弃了落后的游牧生活方式，采用汉族以儒教为中心的传统思想和制度来治理中原，中原封建农业文明得以保存和发展。
耶律楚材在成吉思汗、窝阔台汗两朝辅政近三十年，病逝时，许多蒙古人都哭了，如同丧失亲人一样。汉族的士大夫更是挥泪凭吊这位仁及汉人的功勋卓著的契丹政治家。蒙古国内数日不闻乐声，人们都为这位长者致哀。
窝阔台在位期间，制定蒙古地区值百抽一的赋税制；无水处挖井，迁牧民居住；设驿站，制定驿站服役制度，加强了蒙古本土与占领地区之间的联系。
元太宗七年（1235年），窝阔台下令大建蒙古首都哈拉和林城（位于今蒙古国首都乌兰巴托以西384公里）。从匈奴开始到突厥、回纥，都把这里作为政治中心，其地理位置也正好在蒙古高原的中部。元太祖十五年（1220年），成吉思汗选择这里作为都城，哈拉和林从此成了四方朝圣、八方进贡之地。但是，兴建宫殿却是从窝阔台当政时期开始的。直到忽必烈迁都燕京，这里一直是蒙古帝国的中心。
窝阔台成立燕京编修所和平阳经籍所，封孔子五十一世孙孔元措为衍圣公，修建孔庙，召试诸路儒士，中选者除任本地议事官外，还有四千零三十人被免除赋税。
元太宗三年（1231年），窝阔台与成吉思汗第四子拖雷等率军大举进攻金国。
元太宗四年（1232年），蒙军歼灭金军主力于钧州（今河南禹县）三峰山，进围汴京（今河南开封）。
元太宗六年（1234年），蒙军灭了金国。
金国灭亡后，蒙古与南宋接壤，双方的冲突日渐加剧，拉开了长达45年灭宋之战的序幕。在南方战线僵持不下之时，蒙古大军的铁蹄转往东方的高丽，并使他们臣服。
元太宗七年（1235年），窝阔台召集诸王大会，决定西征。
元太宗八年（1236年）春，窝阔台命令术赤的长子拔都、察合台的长子拜答儿、自己的长子贵由、拖雷的长子蒙哥率军西征，以拔都为统帅，共15万大军，自各地出发，秋季抵伏尔加河东岸集中。这次远征因诸王、那颜均派长子从征，史称“长子出征”。
这次西征历时七年，相继攻灭不里阿耳（在今伏尔加河上游）、钦察（里海、黑海以北之突厥语部族）、斡罗思（俄罗斯）诸国。元太宗十二年（1240年），攻破乞瓦（今基辅），随后分路侵入孛烈儿（今波兰）、马札儿（今匈牙利）。次年连破布达、佩斯，进军至维也纳附近。
元太宗十三年（1241年）十一月初八，窝阔台因酗酒暴毙。窝阔台死讯传至，西征戛然而止。
蒙古回军后，拔都在征服地建立金帐汗国，定都萨莱城（今俄罗斯伏尔加河下游之萨拉托夫），统治斡罗斯达二百余年。
（三）贵由汗
窝阔台去世后，五年间一直都由其皇后乃马真氏主政，直到窝阔台长子贵由继任为止。贵由汗在位三年（1246—1248年），史称元定宗，享年43岁。
贵由曾随诸王伐金，在西征中也立有战功。
窝阔台生前最宠爱的是贵由的三弟阔出，并决定令其即位。可是阔出却在元太宗八年（1236年）侵宋时战死，窝阔台悲痛万分，又想让阔出的长子失烈门作继承人。
窝阔台临死前，立皇孙失烈门为嗣，但皇后乃马真氏决定等贵由回来后继承汗位。
窝阔台死后，成吉思汗的幼弟斡赤斤欲夺汗位，率兵来到都城。乃马真氏遣使诘问他，他只得引兵退回驻地。
按照蒙古习俗，汗位的继承人要经过诸王大会选举决定，乃马真氏便召集各宗王和将领到都城推选新汗。当时在诸王中，西征军统帅拔都威望最高，可是他与贵由不和，因而反对贵由出任大汗，以患病为由拒不赴会，致使诸王大会不能如期举行，因此只得由乃马真氏摄政，长达五年。
直到元定宗元年（1246年）秋，拔都才派其弟别儿哥代表他出席诸王大会。由于乃马真氏力争，大会达成协议，推举贵由为新的大汗。
乃马真氏称制时，商人奥都剌合蛮和波斯女巫法提玛等人获宠，自拟法令，对推行汉法的耶律楚材加以排斥，致使内政败坏，法度紊乱，民力困乏。
贵由即位后不久，乃马真氏病逝，贵由开始着手整饬朝政。首先，他授命皇弟蒙哥调查斡赤斤图谋汗位之事，并处死了斡赤斤及其一些官员。接着，又杀死了奥都剌合蛮，将女巫法提玛沉入水中溺死，起用被其母亲罢免的官员。
贵由在位时间虽短，但他为人刚毅，做事果断，神情严肃，不苟言笑。他重用前朝重臣整肃吏治，对陷害忠良，搜刮民财，胡作非为的人绝不手软。
接着，贵由继续向外用兵，征服西藏，并占领了河套地区。
贵由与堂弟拔都早在西征中就不和，后来拔都又反对贵由即位，因而双方结怨很深。
元定宗二年（1247年）秋，贵由任命野里知带为征西军统帅，率兵西进，统辖波斯地区，与拔都抗衡。
第二年春，贵由亲率大军西进。这时，拖雷之妻唆鲁和帖尼察觉贵由动机后，秘密通报拔都。拔都获信后，立即整军备战。
元定宗三年（1248年）三月，贵由在西进途中突然病死，从而避免了一场皇室内部的争战。
对于贵由大汗的死因有多种说法，大多数人认为贵由汗是被拔都派人刺杀或毒死的。
当时，诸王各自盘据一方，鱼肉百姓，民怨四起，蒙古帝国初期开创的稳定局面尽遭破坏。
元定宗死后，皇后海迷失抱失烈门听政，诸王大多表示反对，朝内争论不已，乃至三年无君，国内混乱不堪。
后来，在拔都提议下，拖雷的儿子蒙哥登上了汗位。
（四）蒙哥汗
蒙哥是蒙古帝国第四位大汗，史称元宪宗。
拖雷是成吉思汗第四子，拖雷正妻唆鲁禾帖尼生了蒙哥、忽必烈、旭烈兀、阿里不哥等四个儿子。
蒙哥沉默寡言，不好侈靡，喜欢打猎。
元太宗七年（1235年），蒙哥与拔都、贵由西征，屡立战功。
元宪宗元年（1251年），蒙哥被拔都等拥立，做了蒙古大汗。
蒙哥即位时43岁，是继成吉思汗之后最杰出的蒙古大汗。他加强了行政管理机构，把蒙古帝国建设成一个正规的大国。
元宪宗二年（1252年），命忽必烈南征大理，也古东征高丽。次年，又遣三弟旭烈兀西征，塔塔儿带撒里等远征欣都思（印度）、怯失迷儿（克什米尔）等国。
元宪宗三年（1253年），忽必烈率领十万大军分兵三路进攻大理国。忽必烈亲率中路军于十月渡过大渡河，进抵金沙江，用皮筏渡江，向大理国都城进军。忽必烈采纳姚枢等人的建议，改变了过去蒙古军的屠城恶习，下达了“止杀之令”，并派使者到大理国都城羊苴咩城劝降。
大理相国高太祥主战，杀了使者。忽必烈于12月进军龙首关，直逼羊苴咩城，大理王段智兴、高太祥出战，遭到惨败。
12月12日，羊苴咩城被攻破，高太祥被杀，段智兴出逃，次年春天在宜良被俘。至此，存续三百余年的段氏大理国宣告灭亡。此后，云南以一个行省的形式被纳入元朝版图，云南的政治中心由大理迁至昆明。
成吉思汗封地上的诸王认为他们有权享受免税权，或与中央一起分享国家的税收，蒙哥禁止了这些做法。如果他活得更久些，或者他的继承者继续执行他的政策，那么蒙古帝国就不会分裂为中国、突厥斯坦（察合台汗国）、波斯（伊儿汗国）、俄罗斯（钦察汗国）这四个国家，而将继续是一个统一的国家。
蒙古统治者利用各种宗教为其政治目的服务，蒙哥倾向于佛教，在哈拉和林宫中举行的一次佛教会议上，他说其他宗教犹如手的五指，而佛教如掌。
蒙哥认为蒙古人想要巩固对中国北方的控制，防止中国北方的民族主义者聚集在南方的旗帜下，就必须迫使南宋王朝投降。南宋的存在会使汉人觉得他们的民族还有救，因而对蒙古的统治造成了威胁。蒙哥的伐宋计划引起了一些将领的反对，他们说南方气候炎热，疾疫流行，蒙古军队在这样的环境中作战会遭受损失，会因不适应陌生的环境而陷入战争泥潭。蒙哥回应道：“我们必须完成先辈未竟的事业。”
蒙哥决定让他的军队同时开辟四个战场，使南宋军队不能专注于防卫任何一个区域。为了阻止蒙古人的进攻，南宋不得不把军队分散在一片广阔的疆土上。
蒙哥为四支部队分配了具体任务：蒙哥亲自指挥的军队将从他的西北基地出发，向南挺进，占领四川省，然后向东进攻。忽必烈的军队将从他新建的开平向南方进军，渡过长江进攻鄂州（今湖北省武昌），在那里与兀良哈台率领的从云南开来的第三支军队会合。第四支军队由成吉思汗兄弟的孙子率领，从六盘山的基地向位于鄂州西北部的襄阳进攻，这支军队最终也要与忽必烈和兀良哈台的军队会合。
这个计划是要把南宋的东部和西部分割成段，使之首尾难顾。蒙古人先集中优势兵力平定西南和中原，再进攻偏安东南的南宋小朝廷。
出发后，蒙哥的军队遇到了巨大的困难，进军十分艰辛，道路尚未开辟，人迹罕至。西南地区的酷热令人窒息，山峦起伏地带易守难攻，他们不得不在西南耽搁了较长的时间。
元宪宗八年（1258年）三月，蒙哥大军攻陷了四川重镇成都。当他们奔向下一个目标重庆时，在合州遇到了阻击。南宋将领王坚誓死抗敌，决心击退蒙古侵略者。
元宪宗九年（1259年）三月，蒙哥召集高级军事将领讨论进军策略，蒙哥最信赖的幕僚再次强调了疾病和酷热的威胁。蒙哥力排众议，表示要不惜一切代价占领合州。
蒙哥在合州打了五个月，双方的伤亡都很惨重，但蒙哥并未灰心，而王坚的军队岿然不动。
天气炎热潮湿，蒙哥军中时疫流行，兵士大多病死，蒙哥也染疾而死。
蒙哥之死震撼了整个蒙古帝国，他的儿子忽必烈挺身而出，完成了他的未竟事业。
