成吉思汗死後第二年，他的第三子窩闊台繼位，成為蒙古國的第二代大汗，是為太宗。窩闊台是成吉思汗諸子中最為明智的人。他具有與父親一樣的判斷能力和穩重，生性隨和，待人非常寬厚和慷慨。他一直跟隨成吉思汗南征北戰，戰功顯赫。在1219年成吉思汗西征前，被確定為大汗繼承人。

繼續對外擴張的窩闊台

窩闊台遵循父親的遺囑，繼續南下。他向南宋借路，包圍金朝京城開封。1230年，蒙古兩路進兵，一路自陝西通過興元（今漢中），大敗金兵於均州（今河南禹縣）。另一路自山西蒲州渡過黃河，於1233年攻破開封，金朝皇帝逃至蔡州。蒙古又聯合南宋圍攻蔡州。金哀宗派使者向宋理宗（宋寧宗的繼子，名叫趙昀）求和，說：「金朝被滅，下一步就挨到宋國了；如果跟我們聯合，對金、宋兩國都有好處。」宋理宗沒有理睬他，金哀宗走投無路，只好自殺。公元1234年，金朝在蒙、宋兩軍夾攻下滅亡。金自阿骨打建國，至亡國，歷一百二十年（1115-1234）。

滅金後的第二年，也就是1235年，窩闊台召開大會，決定第二次西征：遠征今天的俄羅斯、波蘭、匈牙利以及這一帶所有沒有被征服的國家，由成吉思汗長子術赤的兒子拔都為統帥，而窩闊台的長子貴由和拖雷的長子蒙哥隨軍出征。

此次西征，蒙古軍隊於1236年征服了伏爾加河流域的幾個部落以及莫爾多瓦國；1238年攻下了莫斯科城和基輔；1241年，進攻波蘭和匈牙利，並打敗了波德聯軍。同年，窩闊台去世。1242年，拔都率軍撤退，留駐在伏爾加河下游，並在此建立起了欽察汗國。俄羅斯編年史稱欽察汗國為金帳汗國，這個名稱在文獻裡一直沿用下來。後來，拔都去世後，他的弟弟即位。雖然欽察汗國名義上仍對蒙古大汗稱藩，但實際上已經成為獨立的國家。

在窩闊台統治時期，蒙古人完成了對中國北部、波斯和南俄地區的征服。

窩闊台對蒙古國的治理

窩闊台駐營於哈拉和林。雖然早在成吉思汗統治期間，至少是從1220年起，哈拉和林，或者是它附近的某地，可能已經被選為理想中的都城，但是，正是窩闊台於1235年在哈拉和林周圍築起防護牆，才使它成為新帝國的真正都城。　　

在窩闊台統治時期，他重用漢化契丹人耶律楚材，並採納了耶律楚材的諸多建議。比如在蒙古中書省的機構內設立中國、唐兀惕、回鶻、波斯等局〔回鶻人在長時期內起著重要作用〕。比如由於蒙古人長期使用適應軍事需要的傳令制度，耶律楚材便下令沿著這些道路，每隔一定的距離設立糧倉。此外，耶律楚材還制定了一種固定預算，以此為依據，中國人按戶以銀、絲和谷物交納賦稅，蒙古人交納其馬、牛、羊的10％。1230年，將被征服地區劃為十路，每路都有由蒙古官員和中國文人組成的行政管理人員管理。耶律楚材還在北京和平陽辦學，對年輕的蒙古封建主進行儒家教育。同時招收大批中國人進入蒙古民政機構。他對窩闊台說：「天下雖得之馬上，不可以馬上治。

除了耶律楚材外，窩闊台還信任聶思托裡安教徒、克烈部人鎮海等人。蒙古國繼續以強盛的姿態向前發展著。

蒙哥統治時期

窩闊台在第二次西征中病逝後，1246年，其長子貴由被立為第三代大汗，是為定宗。1248年，貴由死在討伐拔都的西行途中。1251年，成吉思汗最小兒子拖雷的長子蒙哥憑借其武功和拔都的支持，繼承汗位，成為蒙古第四代大汗，是為憲宗。

蒙哥給自窩闊台去世後幾乎停止了的蒙古征服戰爭注入了新的活力。首先，在1253年干斡難河源處召開的忽裡台大會上，蒙哥決定派他的弟弟旭烈兀去征服報達（巴格達）和美索不達米亞的哈里發王朝，以此完成對波斯的征服，然後繼續去征服敘利亞。其次，蒙哥本人與他的另一個弟弟忽必烈重新開始發動對中國宋朝的攻勢。

旭烈兀第三次西征

1256年，旭烈兀滅亡了木剌夷國。接著，又攻下阿拔斯哈里發的報達國（巴格達）。1259年，進軍苫國（敘利亞）京城大馬司（大馬士革）。算端（今譯蘇丹，回教國君主）納昔兒棄城逃走。但在密昔兒（埃及）援軍的反攻下，蒙古軍又退出苫國境。旭烈兀留居帖必力思，建立了伊利汗國。

至此，成吉思汗建立的蒙古國，經過三次西征，在兀魯思的基礎上，形成了欽察汗國、察合台汗國、窩闊台汗國和伊利汗國。四大汗國的汗，本是中央分封出去的四個最高軍政首領，與中央保持有藩屬關係，直接向大汗負責。不過，後來，為爭奪大汗權位，各汗國的汗矛盾激化，再加上各汗國間缺乏必要和有力的經濟聯繫，這個鬆散的聯合體日趨瓦解。其中，欽察汗國和伊利汗國獨立，而窩闊台汗國由於窩闊台（太宗）和他兒子貴由（定宗）相繼被選為大汗，其領地一直歸中央管轄，實際上沒有形成單獨的汗國。

蒙哥征宋

蒙古與南宋在1234年聯合滅金後，雙方開始處於正面衝突狀態。窩闊台時期，蒙古主力主要放在西征方面。對南宋，雖也曾出兵攻打過襄陽和川北，但都被宋軍擊敗。

蒙哥即大汗位後，除派六弟旭烈兀率軍西征外，又令四弟忽必烈繼續南進。蒙古軍在進攻南宋的戰爭中，儘管南宋朝廷君主軟弱、大臣無能，但卻遇到了南宋軍隊的頑強抵抗，蒙古統治者認識到滅亡南宋不是件輕而易舉的事。因為在人口眾多的南方，河流山脈縱橫交錯，都市地區人口密集，唯一可能進行的戰爭是圍攻戰。在圍攻戰中，來自草原的牧民們有些不知所措。如果要在中國南方取得勝利，必須有大批步兵團和一整套「火炮」設備。

為此，蒙哥令忽必烈採取迂迴包抄的戰略。1252年10月，忽必烈與大將軍速不台之子兀良哈台一起離開了陝西，經四川而進入雲南。雲南當時尚不屬於中國，它自八世紀起就形成了一個獨立王國，即南詔，或名大理，由羅羅人或名傣人居住的非中國人的國家。由於處在地勢複雜的山區，南詔總是能夠保持完整的獨立。忽必烈攻佔其都城大理和善闡（雲南府，也許是平定鄉），被中國人稱為段興智的大理王在善闡避難（1253年）。忽必烈允許大理王作為「摩訶羅嵯」繼續保留王位，但在他身旁安置了一位投降蒙古的中國人劉時中為蒙古行政官。儘管舊王朝保留了下來，但是整個雲南被分割為若干蒙古軍事管轄區。接著，兀良哈台攻打吐蕃，迫使他們--至少是與雲南鄰近的吐蕃人--承認了蒙古宗主權。大理國傳國二十二世，共316年。

1257年年底，兀良哈台攻打安南國（都城河內）。兀良哈台從雲南南下到東京平原，掠奪河內城，1258年3月，安南王陳太宗承認自己是蒙古人的屬臣。

1258年9月，蒙哥決定親自南下征宋。10月，他率蒙古主力從陝西進入四川，奪取了保寧。此後，在圍攻戰略要地合州時，蒙哥染上痢疾，於1259年8月11日在該城附近病故。

蒙哥死時，忽必烈正率領另一支蒙軍從河北南下，圍攻長江中遊湖北省漢口對岸的鄂州（今武昌）。同時，兀良哈台（他已於1257年底從東京平原回到雲南）離開雲南，前往廣西，他在廣西攻打桂林，接著又到湖南攻打長沙。這樣，當蒙哥去世時，宋朝已是北、西、南三面同時被圍。但是，蒙哥的去世使宋朝獲得了短暫的喘息。為了爭得汗位，忽必烈暫時停止了對南宋的進攻，與宋臣賈似道和談，簽訂了停戰協議，即以長江作為兩個帝國的共同邊界線。此後，忽必烈率軍返回河北。

蒙哥的統治

蒙哥即位時四十三歲，他是繼成吉思汗之後最傑出的蒙古大汗。蒙哥沉默寡言、不好侈靡和狂飲暴食，唯一的樂趣是打獵。他使札撒和祖輩的戒律恢復其原來的嚴厲性。他還是一位能幹的領袖和嚴厲而公正的管理者（他支付了他的前輩們簽字而未付款的大量票據）。當然，他更是一位頭腦冷靜、理智的政治家。因此，他完全恢復了成吉思汗建立起來的強有力的國家。他加強了行政管理機構，把蒙古帝國建設成為了一個正規的大國。

儘管在蒙哥統治初期，他出於對拔都的感恩（因為是拔都使他當上了皇帝），而默許了拔都在巴爾喀什湖以西地區內實行獨立統治。不過，1255年拔都去世後，蒙哥禁止了成吉思汗諸封地上的大汗的分裂蒙古帝國的行為，比如不允許他們享有免稅權，或者與中央政權的代理人一起分享國家的稅收等。

蒙哥是由信仰聶思托裡安教的母親、克烈部公主唆魯禾帖尼撫養大的，所以他信仰聶思托裡安教。他挑選了克烈部人、聶思托裡安教徒孛魯合為丞相。但是，他也傾向於佛教和道教。

在蒙哥統治時期，蒙古帝國恢復了成吉思汗時期的強大，其對外的擴張為元朝的強大以及歐亞間交往的擴大進一步奠定了基礎。