元朝時期回鶻供養人像

    公元12世紀末13世紀初，蒙古孛兒只斤部的首領——鐵木真以其卓絕超拔的政治才干統一了漠北草原上的蒙古各部。1206年，鐵木真被蒙古各部擁立大汗，號稱成吉思汗。1271年，成吉思汗的后代忽必列稱帝，建立了中國歷史上的元朝。
　　1209年，成吉思汗率部西征，高昌回鶻派兵隨之前往。蒙古西征大軍所向無敵，喀什噶爾、于闐等地脫離西遼，中亞各地皆歸大蒙古國所屬，西遼滅亡。天山南北政治統一使大批蒙古人進入西域，蒙古統治者在此設立軍政管理機構，施行屯田，修建驛道，西域社會經濟得到一定程度的恢復和發展。
　　蒙古統治者對西域各地的治理分別采用三種不同的管理體制：天山南北各地及中亞地區的綠洲地帶，大體上是原西遜政權轄地，歸元朝中央政府直轄；草原地區則分屬于成吉思汗之子察合臺、窩闊臺汗及其后代所轄，同元朝中央政府的關系是宗主與蕃臣的關系；高昌地區的畏兀兒亦都護政權因在蒙古西征過程中所建大功而得成吉思汗青睞，獲準仍保持其原來管理機構和統治形式，直接隸屬中央政權管理。
　　到了元朝后期，由于皇室內訌，無力西顧，察合臺汗國實力漸增，天山南北各地實際控制權都落入了軍事實力強盛的成吉思汗二子察合臺及其后裔們建立的察合臺汗國治下，察合臺汗國對天山南北各地的政治統治使該地政治、經濟、文化強制性地趨向一體化。1347年，察合臺汗國分為東西兩部分，西部廣大中亞綠洲城鎮地區后來發展為貼木兒帝國；東部的天山南北諸地則以察合臺汗后裔禿黑貼木兒為首建立了東察合臺汗國。
　　1347年建立的東察合臺汗國是以蒙古察合臺后裔為統治階層的地方性政權，1680年被從漠北草原南下的衛拉特蒙古（一稱西蒙古）準噶爾部所滅，其間延續了3個世紀之久。興盛時期的汗國疆域不僅包括天山南北各地，甚至還包括中亞撒馬兒罕以東廣大地域。東察合臺汗國時期，蒙古統治者與統治中原的明朝有密切交往，商貿往來非常頻繁。據各種文獻記載，這些察合臺后人自稱臣屬，朝貢不斷。明朝中央政府只建立了一個“哈密衛”，以統轄當地軍政事宜、維持中西商貿通道之安全，政治影響十分有限。對西域進行實際統治的東察合臺汗國與中原王朝的密切關系對后來清代統一西域有著十分重大的意義。
　　除此之外，這個時期，由于察合臺后代及王公貴族的大力倡導推廣，伊斯蘭教在天山北部地區得到廣泛傳播，蒙古貴族集團的伊斯蘭化極大地促進了伊斯蘭教在西域諸地各民族中間的傳播；以察合臺文學為代表的西域文化藝術在這一時期也得到很大發展，史書《拉失德史》、大型音樂作品《十二木卡姆》等都形成于此時。
　　這一時期，又是民族遷徙融合最頻繁的時期，經過新一輪民族分化和重新組合，哈薩克、烏茲別克、柯爾克孜、回、維吾爾等民族開始走向近代民族。