同年冬天，蒙古军沿伏尔加河北上，进攻斡罗思东北部。由于斡罗思诸侯间相互有矛盾，不能团结一致，共同御敌，蒙古军攻陷梁赞城。到1238年头两个月，蒙古军又攻陷了弗拉基米尔、罗斯托夫、特维尔、莫斯科等十几座城市。3月，蒙古大军北进诺夫哥罗得，由于沼泽地带的阻碍，蒙古兵又转而南下，回到伏尔加河上游，击败钦察部首领忽滩汗，忽滩汗带领残部逃人匈牙利。同年冬，蒙古军进攻阿速人国土。阿速人是居于比高加索的伊朗人，信仰希腊东正教，与拜占庭、谷儿只（今格鲁南亚）、斡罗思关系密切。1221年成吉思汗第一次西征时，速不台等率军自高加索逾太和岭北上，曾经大败阿速等部联军。这次蒙哥率师围攻阿速都城蔑怯思，经过三个月的围攻，于1239年2月攻破该城。阿速国王杭忽思投降。
1239年，蒙古军再次进攻斡罗思。主力部队向斡罗思南部和西南部进发。蒙古军攻克南斡罗思彼列雅斯拉夫尔、契尔尼戈夫等城。12月，一部分蒙古军冲入了克里木半岛，在此与威尼斯人建立了贸易关系。并且得知欧洲各国的一些情况。
1240年秋，蒙古军围攻基辅城，基辅诸侯米哈伊尔逃往波兰，基辅守军及居民在将军德米特尔领导下坚守城池。蒙古军利用火炮昼夜不停地轰击城墙。11月9日，蒙古军攻陷该城，进行了洗劫和血腥屠杀。接着，蒙古军向西推进，攻破加里奇公国首府弗拉基米尔——沃伦城。加里奇诸侯丹尼尔逃到了匈牙利。
1241年，西征的蒙古军分为两支大军继续向西挺进。北路由拜答儿、兀良合台等率领侵入孛烈儿（今波兰），南路由拔都、速不台等率领进入马札儿（今匈牙利）。2月，北路军攻陷孛烈儿桑多米尔等城。3月，又攻占孛烈儿京城克拉科夫，孛烈儿国王逃往摩拉维亚。蒙古军乘胜进入西里西亚。4月，西里西亚诸侯亨利二世率孛烈儿、日耳曼以及条顿骑士团联军共三万人与北路蒙古西征军战于里格尼茨城郊，结果是联军大败，亨利二世战死疆场。5月，北路军进入摩拉维亚，然后在各地攻掠。5月至6月间，蒙古军围攻奥勒穆茨城，结果久攻不克，伤亡颇众。到6月末才撤围退去，到马札儿与南路军会合。
由拔都、速不台统率的南路军又分为三路侵入马札儿，一路从北面孛烈儿，摩拉维亚攻入；另一路从东面摩尔达维亚攻入；拔都所统率的主力军则从加里奇直接攻人马札儿京城佩斯。1241年3月，蒙古军进至佩斯城郊。4月，蒙古军大败马札儿各地的援军六万人，马札儿国王别剌四世逃走。蒙古军乘胜攻陷佩斯城。同年夏秋之际，一部分蒙古军攻掠斯洛伐克及捷克各地。8月，一支蒙古军进至维也纳附近。由于奥地利大公、波希米亚王联军的抵抗，蒙古军受阻后退走。同年冬，拔都集合起各路军队，涉水渡过多瑙河，攻陷马札儿旧京格兰城。
1242年初，拔都派宗王合丹统率一支军队追击别剌四世。一直追到亚得里亚海东岸。蒙古窝阔台汗死的消息传来后，拔都遂率大军东还。合丹经塞尔维亚与拔都会合，一同东返。
1243年初，拔都到达伏尔加河下游，以萨莱城（前苏联阿斯特拉罕北）为首府，建立了一个疆域辽阔的国家，也就是蒙古四大汗国之一的钦察汗国。这个汗国也是拔都在其父亲术赤的分地（额尔齐斯河以西至乌拉尔河，包括花剌子模）的基础上扩建而成。噩域东起额尔齐斯河，西至多瑙河（包括新征服的摩尔达维亚等地），南部辖有克里木半岛和北高加索，北至北极圈附近。斡罗思各公国均为其藩属。汗国内居民成分复杂。花剌子模，伏尔加流域，克里木，北高加索等地住有不里阿耳，阿速，斡罗思等族，从事农业和工商业；草原有以游牧为主的钦察，康里，突厥蛮，蒙古等部族。由于蒙古人只占少数，逐渐被周围大量突厥部族所同化。汗国内各城以及斡罗思各国均由蒙古达鲁花赤（八思哈）进行统治或监治。征收各种赋税。蒙古贵族在汗国内各有领地和军队，其内讧也不断。钦察汗国于1502年灭亡。由于钦察汗国地处欧亚北路交通要冲，曾经对沟通亚欧之间的交通，繁荣各地的经济和文化起过重要的作用。
蒙古第三次西征是1252年到1260年。1252年蒙哥即蒙古大汗位后派其同母弟旭烈兀统率大军出征波斯地区，除了从诸王的军队中每十人抽出二人组成一支军队外，还抽调了一千多名炮手、工匠等从征。
成吉思汗第一次西征时，没有擒获花剌子模王札兰丁。1224年，札兰丁从印度回到波斯（伊朗），夺得了波斯西部的许多地区，被各地诸侯奉为君主。札兰丁重新建立了花剌子模国，都城在帖必力思（今伊朗大不里士）。1229年窝阔台派遣大将绰儿马浑率领三万蒙古军去攻打重建的花剌子模国。1230年，蒙古大军逼近花剌子模，国王札兰丁逃出帖必力思。在蒙古军的追击下，札兰丁亦东奔西窜，逃到波斯西部的一座山里。1231年8月，札兰丁被当地居民杀死。消灭札兰丁后，蒙古军继续驻留在波斯，对波斯各地进行了长期的征服活动。但是经过二十年，仍没有把波斯全部征服。
1252年6月，先锋部队提前进发。10月，旭烈兀统率大军自蒙古启程，一路缓慢前进，至1255年9月到达撒麻耳于。1256年，旭烈兀进入波斯，进攻亦思马因教派在波斯建立的木剌夷国（以波斯北部阿剌模忒堡为中心）。同年冬，蒙古大军在攻克许多城堡之后，木剌夷国末代君主鲁克纳丁投降，其后鲁克纳丁往蒙古朝见大汗，蒙哥拒绝接见，在遣送回国途中被监送者杀死。蒙古军入城后，该国人民被杀戮殆尽。
1257年春，旭烈兀驻扎于哈马丹，准备进兵巴格达。灭掉阿波斯王朝，9月，旭烈兀遣使命令哈里发（回教最高领袖，阿拔斯王朝君王）穆斯塔辛投降。穆斯塔辛拒绝后，旭烈兀遂兵分三路向巴格达进军。1258年1月，蒙古军包围巴格达，从四个方面向巴格达城发起猛攻，并使用火炮轰击城墙。2月初，蒙古军攻占了一部分城墙，哈里发见大势已去，便亲自率领教长、法官等出城投降。阿拔斯王朝灭亡。
旭烈兀于1259年9月进兵叙利亚。1260年1月，攻陷阿勒颇城，4月，攻占大马士革城。这时旭烈兀接到蒙哥死讯，决定班师，命先锋大将怯忒不花率领二万蒙古军继续攻打叙利亚各地。旭烈兀回军途中听说忽必烈已即帝位，遂又留驻波斯，奉世祖忽必烈之命，仍统治阿姆河以西地区。
1260年9月，埃及马木鲁克王朝苏丹出兵与蒙古先锋军交战于大马士革之南阿音札鲁特，蒙古军大败，先锋军将领怯忒不花战死。埃及军队乘胜占领了大马士革、阿勒颇，叙利亚全境遂成为埃及的辖地。埃及军的这次胜利，遏制了蒙古军向埃及和非洲的扩张。
旭烈兀通过西征，在波斯地区建立了蒙古四大汗国之一的伊利汗国。伊利汗国又译为伊儿汗国。其疆土东起阿姆河，西至小亚细亚，直至密昔儿（埃及）之境，北邻钦察汗国，南至阿拉伯海。在汗国之内，分置各州长官。旭烈兀及其继承者自称伊利汗（伊利，意为从属），奉大汗（元朝皇帝）为宗主。国都为帖必力思（伊朗大不里士）。后来一度迁都孙丹尼牙（伊朗苏丹尼耶）。第七代伊利汗合赞改奉伊斯兰教为国教，实行政治、经济改革，命宰相拉施都丁纂修《史集》，国势颇盛。伊利汗国与元朝关系密切，经济文化交流频繁。第九代伊利汗不赛因死后，统治集团内讧迭起。权臣、大将各自拥立可汗，纷争不已。1355年，已在巴格达建立汗国并据有波斯西部大部分地区的札剌亦儿（即扎剌儿）氏贵族哈散之子兀外思汗攻取帖必力里，以其为都城，史称札剌亦儿朝。14世纪末为帖木儿帝国所灭。
伊利汗国地处欧、亚南路交通要冲，曾为中西交流作出过贡献。
蒙古贵族建立的另外两个汗国分别是察合台汗国和窝随台汗国。
察合台汗国是成吉思汗次子察合台所建，主要是占据西辽故地和畏兀儿地区，最盛时期疆域东至吐鲁番，西至阿姆河，北至塔尔巴哈台山，南越兴都库什山，汗帐设在阿力麻里（在新疆霍城县境）附近的虎牙思。在蒙古帝国时期，听命于蒙古大汗，汗位继承亦须由大汗认可。忽必烈与阿里不哥争夺大汗位时，察合台之孙阿鲁忽即位为汗，以后察合台汗八剌笃哇相继与窝阔台孙海都结盟以对抗元朝，双方争战四十余年。1304年，笃哇与元朝约和，仍奉元朝皇帝为宗王。元仁宗爱育黎拔力八达时，双方再起兵端，不久恢复友好。合赞汗死后，察合台汗国陷于分裂，各部诸侯自立为可汗。1364年，朵忽剌氏贵族拥立秃忽鲁帖木儿为汗，统一汗国。1362年，秃忽鲁帖木儿死，河中地区帖木儿势力发展，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）。
窝阔台汗国是成吉思汗时分封窝阔台于金山（今阿尔泰山）之西及叶密立（今新疆额敏）、霍博（今新疆和布克赛尔）诸地，后来由子孙分领。蒙哥即大汗位后，又以海押立（哈萨克斯坦科帕尔西）之地封窝阔台孙海都。忽必烈至元初时，海都抗命不朝，逐渐兼并窝阔台诸后王属地以及八邻（蒙古尼鲁温部的一支）万户，又夺取察合台汗国忽章河（今锡尔河）以北土地，以伊犁河与答剌速河流域为中心，建立汗国，屡次与元朝争战。1301年，海都死，子察八儿嗣位，始称藩。1306年，元军乘其内乱派兵进攻，察八儿投奔笃哇，汗国遂亡。汗国领地一部分直属元朝，一部分被察合台汗国兼并。
经过西征后的蒙古汗国，地域辽阔，横跨欧亚大陆，但是蒙古西征，给中亚、西亚、东欧等地人民带来了巨大灾难，无数人民惨遭屠杀，各地的经济、文化也遭到严重破坏；从另一方面来看，由于蒙古铁骑冲破了亚欧各国的封建壁垒界限，客观上促进了东西方交通和经济、文化、科技的交流。蒙古西征过程中所建立的四大汗国，由于它是军事征服下的暂时联合体，没有共同的经济基础，所以必然会导致分裂。事实上，钦察汗国和伊利汗国一直是处于相对独立的状态。
