一年後，丘處機要求東返中原，成吉思汗特意賜給他一紙詔書，任命他管理天下道眾，並說丘處機的門人“係逐日念誦經文告天底人，每與皇帝祝壽萬萬歲者，今後免除一切差發賦稅”。此次丘處機的雪山之行，得到了成吉思汗的賞識，也成為全真道轉入貴盛的關鍵。在此後的幾十年間，全真道成為北方漢地首屈一指的教派，顯赫一時。丘處機本人在東歸後，住於燕京太極宮（舊址在今北京白雲觀西側），後病死在那裏，恰好與成吉思汗死在同一年。
成吉思汗對丘處機及全真道的禮遇，一度引起成吉思汗的近臣耶律楚材的不滿，因為耶律楚材本人信奉佛教，後來還在其著作《西遊錄》中對丘處機大肆攻擊。
第一次西征之後，成吉思汗將新占領土封給他的三個兒子作為世襲領地：其中長子術赤封於欽察，據有花剌子模和康國故地，建都薩萊（今伏爾加河下遊），稱欽察汗國（金帳汗國）。術赤死後，該國歸其次子拔都；二子察合台封於西遼和畏兀兒故地，初建都阿力麻裏（今新疆伊犁北），稱察合台汗國；三子窩闊台封於乃蠻故地，即額爾齊斯河上遊和巴爾喀什湖以東地區，建都也速裏（今新疆額敏），稱窩闊台汗國。
其中，術赤的封地欽察汗國離草原故土最遠，這自然與他廣泛被人認為不是成吉思汗的親生骨肉有關。術赤本人一生都籠罩在“野種”的陰影下，內心痛苦可想而知，即使戰功再高、封地再廣，無濟於事，以致四十多歲便抑鬱而死。
特別值得一提的是，在這次血腥的西征中，蒙古的收獲還不隻是土地和財富。跟隨成吉思汗西征的大臣耶律楚材精通天文、地理、律曆、術數、醫卜，在尋思幹城（今烏茲別克撒馬爾罕）時，他偶然發現當地的月食時刻和食分與金人重修的《大明曆》所推算的不同，立即敏感地意識到不僅是因為《大明曆》行用年久，誤差積累漸大，而且跟觀測地點有關，《大明曆》隻適用於中原地區，而尋思幹城西距中原萬裏。根據這一情況，耶律楚材撰寫了《庚午元曆》，訂正了舊曆法的誤差，並且創立“裏差”（類似時區）一詞，首次提出地理經度的概念。數十年後，元朝名臣蘇天爵據《庚午元曆》一書提出地方時的概念。
《大明曆》為南北朝時祖衝之編製。祖衝之，字文遠，範陽遒郡（今河北淶水北）人，中國曆史上偉大的數學家、天文學家和機械製造家。他是世界上第一個正確地把圓周率推算到小數點後七位的人，對中國曆法的貢獻也相當卓越，集中體現在他編製的《大明曆》及為《大明曆》所寫的《駁議》中。在祖衝之之前，人們使用的曆法是天文學家何承天編製的《元嘉曆》。祖衝之進行長期的天文觀測後，發現《元嘉曆》對日月的方位、行星的出沒和冬至、夏至的時間，推算得都不準確，存在很大的差誤。於是他著手製定新的曆法，經過潛心研究，精心編製，終於在三十三歲那年完成了新曆的編製。此時正值宋孝武帝大明年間，所以叫做《大明曆》。《大明曆》的最大特點，是改變“閏法”和采用“歲差”。它采用的朔望月長度為29.5309日，這和利用現代天文手段測得的朔望月長度相差不到一秒鍾。在《大明曆》中，祖衝之提出在391年插入144個閏月的新閏周，比以往曆法采用的19年置7閏的閏周更加精密。根據新的閏周和朔望月長度，可以求出《大明曆》的回歸年長度是365.24281481日，現代測得為365.24219878日，僅差萬分之六日，也就是說一年隻差46秒。直到南宋寧宗慶元五年（1199年）楊忠輔製統天曆以前，它一直是最精確的數據。冬至點是製訂曆法的起算點，因此測定它在天空中的位置對於編算曆法來說非常重要。可是在祖衝之之前，曆算家們一直認為冬至點的位置是固定不變的，這就使得曆法製訂從一開始就產生了誤差。祖衝之把歲差概念引進曆法中之後，大大提高了曆法計算的精度。《大明曆》的編製成功，是中國曆法史上的一次重大改革。宋孝武帝大明六年（462年），祖衝之上書，請求頒行《大明曆》，皇帝不懂曆法，下令先進行辯論。辯論的一方是祖衝之，另一方則是皇帝寵臣戴德興。戴德興思想保守，說：“日月星辰運動的快慢，不是普通人能夠測得的。曆法是古代傳下來的，不能改動，改了就是褻瀆上天，叛祖離道。”祖衝之反駁說：“日月星辰的運行並不神秘，有形跡可以檢測，有數據可以推算。古人哪能做到精密細微，一點差錯都沒有呢？我們不應該信古而疑今。如果我們永遠沿襲古人，那怎麼行！”爭論持續了將近兩年，宋孝武帝終於決心改用新曆，但是新曆法尚未及頒行，宋孝武帝便撒手病死。《大明曆》的使用因此又被擱置下來，在祖衝之生前始終沒能采用。直到梁武帝天監九年（510年），在祖衝之之子祖暅三次上書之後，《大明曆》才正式頒行，這已是祖衝之死後十年了。祖衝之的主要成就在數學、天文曆法和機械製造三個領域，同時也是一位少有的博學多才的人物——精通音律；擅長下棋；還寫有小說《述異記》。他一生著述很多，但大多都已失傳。為紀念這位偉大的古代科學家，人們將月球背麵的一座環形山命名為“祖衝之環形山”，將小行星1888命名為“祖衝之小行星”。
西征花剌子模國後，欲望和追求永無止境的成吉思汗又開始馬不停蹄地南下，繼續擴充疆土。當時中原的局勢變化很快，這應該是促使成吉思汗放棄繼續西征而回師南歸的主要原因。蒙古大軍西征期間，成吉思汗封心腹愛將木華黎為太師國王，將太行以南的軍務全部交給了他。而金國一直是蒙古的世仇，非死亡不能化解，木華黎最大的任務就是攻打金國。起初，中原局勢對蒙古十分有利——三大政權之中的金國與南宋正互相攻打，戰事頻繁，而另一大政權西夏則早已經歸附蒙古，一直派遣本國軍隊跟隨蒙古作戰。蒙古趁虛直入，自然頻頻得手。蒙古軍長驅直入，攻城略地，主要的戰事集中在河北、山東一帶。金軍同時麵對北方蒙古和南方南宋兩大強敵，首尾不能相顧，完全不能抵擋蒙古鐵騎的進攻。眼見蒙古軍氣勢如虹，金宣宗不得不派出使者向蒙古求和。蒙古提出要金國割讓關西未被攻陷之數城，金宣宗去帝號，改為河南王。麵對蒙古如此苛刻的條件，金宣宗實在難以接受，和議的希望最終破滅。
眼看木華黎滅金在即，形勢卻突然起了變化。先是西夏夏獻宗即位，乘成吉思汗遠征西域之機，一改其父夏神宗附蒙侵金的國策，與金國通好，開始積極聯金抗蒙。而金國金哀宗即位後，也意識到蒙古才是真正的強敵，為了集中力量抗蒙，不但與西夏結盟，約為兄弟之國，還一改侵宋擴土的國策，派遣使者與宋朝通好。局勢開始對蒙古不利，主持滅金的蒙古大將木華黎對西夏的突然背盟尤其憂憤，最終在一場攻打金國的戰鬥中病死。正在西域的成吉思汗聽說後，立即回師，立誌滅掉西夏，以為愛將報仇。
然而，人生終究有許多遺憾——即便有著絕世的豐功、驚人的戰績，也無法停止生命的年輪，也抵擋不住歲月的侵蝕。即使是一代天驕成吉思汗，照舊無法戰勝人世間最強大的敵人——死亡。宋寶慶三年（1227年），成吉思汗溘然長逝在征伐西夏的途中，結束了其波瀾壯闊的一生。蒙古人將他的屍體裝入金棺，運回蒙古發喪，一路上遇到行人，一律殺死，以免泄漏消息。