元朝西北宗藩国。成吉思汗次子察合台所建。最盛时其疆域东至吐鲁番、罗卜泊，西及阿母河，北到塔尔巴哈台山，南越兴都库什山。
西征后，成吉思汗分授诸子封地，察合台得到了从畏兀儿境一直延伸至河中草原的广大地区。察合台的大帐设在阿力麻里附近的虎牙思。河中城郭地区由大汗直接派官管辖。察合台曾企图排挤窝阔台汗在河中城郭地区的势力，遭到窝阔台汗的制止。1241年，察合台卒，次子抹土干之子合剌旭烈继位。
贵由继汗位后，废合剌旭烈，改立也速蒙哥为察合台汗国之汗。蒙哥时期，合剌旭烈妻杀也速蒙哥，自摄国政。
忽必烈即位后，遣抹土千之孙八剌持诏回国继承汗位。1269年，八剌与海都在答剌速河畔举行大聚会，划分了各自在中亚的势力范围。八剌之子笃哇在海都支持下即位，从此察合台汗国被海都所控制。
笃哇、海都经常侵扰元朝边境，攻掠畏兀儿地区。1298年，笃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，笃哇、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)，笃哇中箭受伤，海都亦受伤致死。笃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，笃哇与元朝联兵击败察八儿，吞并了大部分窝阔台汗国领地。1306年，宽彻继立为汗，继续实行与元朝友好的政策。也先不花统治汗国时期，为扩大牧场，率军入侵元朝，被元军击败。为了弥补损失，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。
怯别统治时期，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，怯别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。
敞失汗统治时期，阿力麻里是汗国东部最重要的城市，罗马教廷派出许多传教士到此传教。不久，敞失被谋杀，其弟也孙帖木儿继立。从也先不花到也孙帖木儿，察合台汗国东西部一直维持着统一。
合赞汗死后，察合台汗国陷于分裂，各部诸侯自立为可汗。顺帝至正六年(1346)，朵忽剌氏贵族拥立秃忽鲁帖木儿为汗，统一汗国。二十二年(1362)，秃忽鲁帖木儿死，河中地区帖木儿势力迅速发展，东部仍在秃忽鲁帖木儿后裔统治之下，治别失八里(今新疆吉木萨尔北破城子)。
