这时，元朝皇帝又以大汗的身份恢复行使对钦察汗的册封手续。至大元年（1308），元武宗遣使册封即位已18年的钦察汗脱脱为“宁肃王”。1313年月即别即位，元仁宗又派使臣去册封。1330年编成的《经世大典图》称钦察汗国为“月祖伯（即月即别）所封地”。1336年，月即别派人到元朝，要求支领他在中国的封地岁入，用以补贴军站的赡给。可见从窝阔台时代起开辟的从亦的勒河流域东行的驿路，这时还维持着。所以当时流传于欧洲的一部《通商指南》说，从顿河河口南岸的塔纳（在今俄罗斯罗斯托夫南）到元朝的甘州有通道贯穿。月即别在位时代，伊斯兰教在钦察汗国统治的中心地区广泛传播。到他的儿子札尼别即位（1342）时，改汗的称号为大汗。大概是伊斯兰教的信仰终于冲淡了他们对黄金家族的身份认同。这以后不久，钦察汗国就衰落了。
伊利汗国在西道兀鲁思中建国最晚。它的疆域，东北到阿姆河，西北至太和岭，南临波斯湾，西面以幼发拉底河为界。国都先后在蔑刺合（今译马腊格，在伊朗阿塞拜疆。旭烈兀曾修建著名的蔑剌合天文台于兹）、桃里寺（今伊朗大不里士）、逊丹尼牙（今伊朗苏丹尼耶）。
伊利汗国与元朝长期保持着十分密切的关系。旭烈兀死后，西域诸王大臣推戴他的儿子阿八哈即位。阿八哈回答：“忽必烈合汗是长支。怎么能不经他的诏赐就即位呢？”由于国事急迫，他后来在众人劝说下登位治事，但在忽必烈的委命诏旨到达时，他还是郑重其事地举行了第二次即位仪式。时在第一次即位的五年后（1270）。阿八哈于1279年颁发的一张敕书上，钤有“辅国安民之宝”的汉字方印，显然是元朝赐予的王印。在他的儿子阿鲁浑（继阿八哈弟帖古迭儿为汗）于1289年写给法国国王的信上，也盖着这方汉字的印章。这封信的开头语是：“长生天气力里，大汗福荫里，阿鲁浑谕佛郎国王。”与元王朝官方文书开头的套语格式一样。把“大汗”与长生天并称，表明中央兀鲁思（即元朝）的大汗仍是伊利汗王室尊奉的最高权威。阿八哈以后，伊利汗朝每遇汗位继承危机，争位者总是要把父亲曾受过大汗册封列为其身份合法性的最重要的根据。夺得汗位的人，也总是立即向元朝要求册封。
1295年，阿鲁浑子合赞起兵，从他的庶叔拜都手中夺得伊利汗国汗位。起兵前，“合赞汗和全体异密们……宣读了‘除安拉外没有别的神’的祷言，他们全成了伊斯兰教徒”。合赞开始称自己为“合汗”和“安拉的奴仆”。尽管我们此后仍然把旭烈兀的兀鲁思叫作伊利汗国，但自合赞以后其实再也没有伊利汗了。合赞1302年致法国国王的信上有“王府定国理民之宝”的汉字印文：学者们推测，这枚王印应当也是来自元朝。而1304年继合赞袭位的完者都合汗，有一颗印文为“真命皇帝和顺万夷之宝”的汉字印玺。由元朝皇帝给另外一个“真命皇帝”颁赐印章，似乎有些难于理解。这颗印，会不会是迁到伊利汗国的汉人为他们在西方的“真命皇帝”刻制的？
古代山水画无论如何，合赞及其后王们仍与他们在元朝的“哥每弟每”有频繁的交往。1298年，合赞遣人出使元朝，元成宗命来使把旭烈兀名下历年所得的“岁赐”（元王室对诸王一年一次的赏赐）带回去。1310年代，伊利汗国与察合台汗国发生战争。伊利汗国的重臣阿必失哈在这前后出访元朝，很可能负有与元朝商议协同对察合台汗国作战的使命。阿必失哈归国时被察合台后王拘留。他不慎泄露元军备战的机密，遂引起察合台汗国军队渡阿姆河侵入伊利汗国境内，全靠元军从东线发动进攻，才迫使察合台汗国军队从阿姆河南撤回。完者都之子不赛因即位后，为权臣出班向元王朝请封。泰定帝遣使授出班“开府仪同三司、翊国公”的官号，并赐银印、金符。
在伊利汗朝时期的伊朗，中国和波斯文化发生了广泛的交流。1290年前期，伊利汗国仿效元代中国的钞法，在全国范围取缔金属货币，强制推行纸印钞币。这种钞币为长方形，上面还印有八个汉字。钞法只推行了极短促的时期，便因市场瘫痪而被迫取消。波斯语中的“纸币”（chaa）一词，至今保留汉语“钞”字的发音。合赞在位时奉命编写《史集》的拉施特，在了解有关蒙古的历史方面，从一个出使伊利汗朝并留居在那里的元朝官员孛罗丞相那里得到重要的帮助。拉施特的《史集》里还记录了直到南宋为止的中国历代王朝的年代记。中国医学名著《脉经》（王叔和著）也在拉施特的主持下被译为波斯文。蒙古驿传制度和元朝整治驿站的办法被伊利汗国仿效。元朝向文武官员颁发牌符作身份、权力象征及乘驿凭证的制度，也传入伊朗。波斯语中至今保留着“牌子”（paiza）这个词。伊利汗依蒙古制度组织轮番宿直的“怯薛”作自己的侍卫军。“怯薛”一词由此进入波斯语，到今天仍有“轮值”、“值班”的意思。
成吉思汗在世时，窝阔台和察合台的兀鲁思都被分封在今阿尔泰山和天山之间的草地上。在蒙古大汗的汗位转移到拖雷系（1250）的斗争中，窝阔台系诸王遭到严厉的镇压，份地被切割分离，势力大衰。察合台后王则因乃祖曾经出镇西域的便利，逐渐向天山以西直到阿姆河北的绿洲诸城伸展势力。而按蒙古旧制，农耕城郭之地本来应当是由大汗负责掌管的黄金家族共有财产。1260年初，忽必烈为争取西道诸王的支持，把阿尔泰山以西直至阿姆河之地交给察合台后王治理，标志着大汗正式承认了察合台后王对这个地区的实际控制权。不过这时候畏兀儿地区和今新疆南疆诸城镇还没有被察合台汗国所据有。
但是察合台汗国的势力，立即受到1260年前期迅速崛起的窝阔台后王海都的挑战。这个杰出的草原骑士是蒙古宗王中极少不嗜酒的人。他团聚窝阔台系诸王，乘当时多变的形势，将锡尔河以东的大片草原地区纳入自己势力范围，并因此与察合台汗国起衅。1269年，海都约察合台后王八刺、钦察汗忙哥帖木儿在塔刺思河举行三系忽里台，共同反对忽必烈和伊利汗朝。塔刺思大会标志了窝阔台、察合台后王正式脱离大汗的政治控制。八剌因为在河中的牧地不够，在海都支持下逾阿姆河攻击伊利汗国，兵败，不久死去。察合台汗国实际上成为听命于海都的附庸。
从1270年直到14世纪之初，元朝与以海都为首的窝阔台、察合台汗国为争夺畏兀儿及其以西的塔里木盆地沿边城市反复交战。为牵制元朝在天山南北的军事行动，海都多次攻入岭北（即蒙古草原），用这种战略迫使元军收缩在西部的战线。1290年，元朝被迫把畏兀儿王族迁到甘肃永昌。十三四世纪之交，元军退出畏兀儿及以西地区。火州（在今新疆土鲁番）成为察合台汗国东境的边城。1301年，海都率两系大军在阿尔泰山岭中的帖坚古之地与元朝交战，重创元军。但此后不久，他因病死去。中亚形势遂发生三方面的重大改变：一是由海都扶持的察合台后王都哇，在海都死后乘机坐大。两汗国之间势力对比开始逆转。二是两汗国改变与元对立的立场，以元朝承认他们在西北地区的既得权益及其政权的合法性为条件，与元朝约和。1304年，约和实现。三方共同向伊利汗朝诏告和平。这个消息，还通过伊利汗国传播到欧洲基督教世界。其三，元朝畏忌海都余威，趁察合台后王与窝阔台后王不睦，帮助察合台汗国削弱窝阔台汗国。1300年末，窝阔台系诸王曾掀起过一阵短暂的复兴活动，仍遭失败。不久，窝阔台汗国灭亡。
1310年前期，察合台汗国与元朝通使。但是不久以后，两家为瓜分交界地区的窝阔台牧地发生争执。西北战火重燃。这时伊利汗朝也采取行动，将渡阿姆河南侵的察合台军队逐回河中，由此形成东西夹击察合台汗国的形势。察合台大军再侵伊利汗境，后来在东线元军的军事压力下退兵。元朝乘这次攻势，曾将其军事布防线重新推进到畏兀儿地区，但为时不长，又复退回。
1331年，都哇之子答儿麻失里即位为察合台汗。这位有一个梵文名字的汗却放弃佛教信仰，皈依了伊斯兰教。从1330到1340年，察合台后王权威下衰，汗国逐渐形成分裂局面，中亚蒙古人也在这个过程中加快了融合进当地突厥语主体居民之中的节奏。