1241年底，窩闊台死訊傳至歐洲，拔都匆忙撤軍，西歐得以保全。後拔都建立金帳汗國。
窩闊台死後，由其皇後攝政，汗位爭奪激烈，這時察合台也已死。按照慣例，大汗應由王公貴族的忽裏勒台選出，論戰功威望應屬成吉思汗長孫拔都，但拔都與貴由不和，拒絕參加大會。直到1246年才選出貴由為大汗。貴由在位不足3年死，汗位又起爭執，在拔都支持下1251年選托雷之子蒙哥即位。
1253年，蒙哥派其弟旭烈兀再次西征。他沿成吉思汗當年的路線進入中亞，然後進軍伊朗和伊拉克，1258年，圍攻阿拉伯首都巴格達。旭烈兀致書哈裏發要其投降，哈裏發反答以曆代攻巴格達者皆不得善終。城破後，哈裏發投降，被蒙古軍裝入袋內，縱馬踏死。1260年旭烈兀攻占大馬士革，這時蒙哥大汗死訊傳至，遂率主力東歸，駐軍阿塞拜疆。不久，駐守敘利亞的蒙古軍為埃及馬穆魯克王朝軍隊所敗，敘利亞也為埃及奪取。旭烈兀在中亞和伊朗建立伊兒汗國。
與此同時，蒙哥派另一弟忽必烈進攻南宋。其間，蒙哥在1259年親率大軍攻四川合州時中箭身亡。1260年，忽必烈繼大汗位，是為元世祖（1260—1294年在位）。1276年臨安陷落，南宋滅亡。
此外，蒙古人還東侵朝鮮、日本，南掠緬甸、印度支那和爪哇，但海戰非蒙軍所長，除在朝鮮外，都未取得明顯戰果。
1259年蒙哥汗死後，蒙古帝國短暫的統一即隨之告終。繼任大汗忽必烈，權力隻限於中國的元朝。西方各汗國，則獨立發展。以下元朝略，隻說四大汗國。
成吉思汗生前曾給其四個兒子分世襲封地。長子術赤得巴爾喀什湖以西至烏拉爾山脈，次子察合台得阿姆河以東、新疆以西，多為原西遼舊地，三子窩闊台得巴爾喀什湖以東和新疆東南部，四子托雷按蒙古舊俗，得蒙古本部。
金帳汗國（1243—1502年）。初為術赤封地，拔都西征後擴大，1243年以薩萊為都建國。後拔都又將鹹海東北之地分給其兄翰魯朵，稱白帳汗；將鹹海以北、西至烏拉爾河之地分給其弟昔班，稱藍帳汗，總領於金帳汗之下。14世紀金帳汗國鼎盛，蒙古人逐漸與欽察人融合，並改信伊斯蘭教。15世紀分裂出喀山汗國、克裏米亞汗國、阿斯特拉罕汗國和西伯利亞汗國。1502年金帳汗國被克裏米亞汗國所滅。
伊爾汗國（1258—1388年）。1258年旭烈兀以大不裏士為都建國，其領土多為薩珊波斯舊地。合讚汗時期（1295—1304年），進行宗教、稅收、行政改革，改信伊斯蘭教，國家興盛一時。14世紀中期諸王割據分裂，1388年被帖木兒帝國所滅。
窩闊台汗國（1227—1310年）。原窩闊台封地，1229年窩闊台即汗位後，封地賜予其子貴由。蒙哥即汗位後削弱窩闊台係，曾將其國分封與窩闊台多名子孫。1260年忽必烈即位後，窩闊台嫡孫海都曾聯合察合台汗國起兵爭奪汗位，前後長達30餘年。1310年該國被並入察合台汗國。
察合台汗國（1227—1370年）。原察合台封地，1310年合並窩闊台汗國，但1318年即分裂為東、西兩個汗國，並改信伊斯蘭教。1370年西察合台汗國為帖木兒帝國所滅，東察合台汗國分裂。
帖木兒帝國。帖木兒（1336—1405年）出生於突厥化蒙古貴族家庭，幼時行劫右足受傷，人稱跛子帖木兒。1370年擊殺西察合台汗王，自立為蘇丹，宣稱自己是成吉思汗繼承人。1380年占領呼羅珊，1388年滅伊爾汗國。1390年後多次進攻金帳汗國，攻陷薩萊。1398年攻陷印度德裏，殺10萬人。1399年，帖木兒侵入小亞細亞，1402年在安卡拉與奧斯曼帝國激戰，雙方軍隊共百萬人，奧斯曼蘇丹輕敵，結果全軍覆滅。帖木兒還想征服中國，1405年病死於軍中。15世紀後期，帖木兒帝國分裂，其後裔隻統治伊朗東部。1500年中亞北部的烏茲別克人侵入，帝國滅亡。帖木兒的後裔巴布爾南下印度，建立莫臥兒帝國。
蒙古人擴張的後果
蒙古帝國是世界曆史上規模無與倫比的帝國，從波羅的海到太平洋，從北冰洋到印度支那，無數的國家和民族都屈服在蒙古騎兵的鐵蹄之下，這是遊牧民族對文明社會所進行的最後一次、也是最激烈的攻擊。落後的蒙古人的征服並未能像阿拉伯人那樣創造出一個獨特的文明，很大原因是它已不可能、也沒有創造出一個能征服人們的宗教。它在世界曆史上主要起了破壞作用，但蒙古人的征服和短暫的統一還是促進了東西方的經濟和文化交流。
蒙古征服的最直接的後果，是突厥人在中亞和西亞占據了優勢，蒙古人造就了一大批突厥軍事貴族，從而為突厥人的大帝國——奧斯曼帝國的崛起奠定了基礎。蒙古人殺了巴格達的哈裏發，但伊斯蘭教卻征服了所有在西亞、中亞以及金帳汗國的蒙古人，並把他們融合於突厥人之中。
蒙古征服的再一個後果是促進了東西交通和文化交流。征服把東方和西方聯係了起來，東來的西方人和西雲的東方人在蒙古時期絡繹不絕。馬可·波羅就是其中一個，他向西方人描述了一個富庶文明的中國。