窝阔台统治时期
成吉思汗死后第二年，他的第三子窝阔台继位，成为蒙古国的第二代大汗，是为太宗。窝阔台是成吉思汗诸子中最为明智的人。他具有与父亲一样的判断能力和稳重，生性随和，待人非常宽厚和慷慨。他一直跟随成吉思汗南征北战，战功显赫。在1219年成吉思汗西征前，被确定为大汗继承人。
继续对外扩张的窝阔台
窝阔台遵循父亲的遗嘱，继续南下。他向南宋借路，包围金朝京城开封。1230年，蒙古两路进兵，一路自陕西通过兴元（今汉中），大败金兵于均州（今河南禹县）。另一路自山西蒲州渡过黄河，于1233年攻破开封，金朝皇帝逃至蔡州。蒙古又联合南宋围攻蔡州。金哀宗派使者向宋理宗（宋宁宗的继子，名叫赵昀）求和，说：“金朝被灭，下一步就挨到宋国了；如果跟我们联合，对金、宋两国都有好处。”宋理宗没有理睬他，金哀宗走投无路，只好自杀。公元1234年，金朝在蒙、宋两军夹攻下灭亡。金自阿骨打建国，至亡国，历一百二十年（1115-1234）。
灭金后的第二年，也就是1235年，窝阔台召开大会，决定第二次西征：远征今天的俄罗斯、波兰、匈牙利以及这一带所有没有被征服的国家，由成吉思汗长子术赤的儿子拔都为统帅，而窝阔台的长子贵由和拖雷的长子蒙哥随军出征。
此次西征，蒙古军队于1236年征服了伏尔加河流域的几个部落以及莫尔多瓦国；1238年攻下了莫斯科城和基辅；1241年，进攻波兰和匈牙利，并打败了波德联军。同年，窝阔台去世。1242年，拔都率军撤退，留驻在伏尔加河下游，并在此建立起了钦察汗国。俄罗斯编年史称钦察汗国为金帐汗国，这个名称在文献里一直沿用下来。后来，拔都去世后，他的弟弟即位。虽然钦察汗国名义上仍对蒙古大汗称藩，但实际上已经成为独立的国家。
在窝阔台统治时期，蒙古人完成了对中国北部、波斯和南俄地区的征服。
窝阔台对蒙古国的治理
窝阔台驻营于哈拉和林。虽然早在成吉思汗统治期间，至少是从1220年起，哈拉和林，或者是它附近的某地，可能已经被选为理想中的都城，但是，正是窝阔台于1235年在哈拉和林周围筑起防护墙，才使它成为新帝国的真正都城。
在窝阔台统治时期，他重用汉化契丹人耶律楚材，并采纳了耶律楚材的诸多建议。比如在蒙古中书省的机构内设立中国、唐兀惕、回鹘、波斯等局〔回鹘人在长时期内起着重要作用〕。比如由于蒙古人长期使用适应军事需要的传令制度，耶律楚材便下令沿着这些道路，每隔一定的距离设立粮仓。此外，耶律楚材还制定了一种固定预算，以此为依据，中国人按户以银、丝和谷物交纳赋税，蒙古人交纳其马、牛、羊的10％。1230年，将被征服地区划为十路，每路都有由蒙古官员和中国文人组成的行政管理人员管理。耶律楚材还在北京和平阳办学，对年轻的蒙古封建主进行儒家教育。同时招收大批中国人进入蒙古民政机构。他对窝阔台说：“天下虽得之马上，不可以马上治。
除了耶律楚材外，窝阔台还信任聂思托里安教徒、克烈部人镇海等人。蒙古国继续以强盛的姿态向前发展着。
蒙哥统治时期
窝阔台在第二次西征中病逝后，1246年，其长子贵由被立为第三代大汗，是为定宗。1248年，贵由死在讨伐拔都的西行途中。1251年，成吉思汗最小儿子拖雷的长子蒙哥凭借其武功和拔都的支持，继承汗位，成为蒙古第四代大汗，是为宪宗。
蒙哥给自窝阔台去世后几乎停止了的蒙古征服战争注入了新的活力。首先，在1253年干斡难河源处召开的忽里台大会上，蒙哥决定派他的弟弟旭烈兀去征服报达（巴格达）和美索不达米亚的哈里发王朝，以此完成对波斯的征服，然后继续去征服叙利亚。其次，蒙哥本人与他的另一个弟弟忽必烈重新开始发动对中国宋朝的攻势。
旭烈兀第三次西征
1256年，旭烈兀灭亡了木剌夷国。接着，又攻下阿拔斯哈里发的报达国（巴格达）。1259年，进军苫国（叙利亚）京城大马司（大马士革）。算端（今译苏丹，回教国君主）纳昔儿弃城逃走。但在密昔儿（埃及）援军的反攻下，蒙古军又退出苫国境。旭烈兀留居帖必力思，建立了伊利汗国。
至此，成吉思汗建立的蒙古国，经过三次西征，在兀鲁思的基础上，形成了钦察汗国、察合台汗国、窝阔台汗国和伊利汗国。四大汗国的汗，本是中央分封出去的四个最高军政首领，与中央保持有藩属关系，直接向大汗负责。不过，后来，为争夺大汗权位，各汗国的汗矛盾激化，再加上各汗国间缺乏必要和有力的经济联系，这个松散的联合体日趋瓦解。其中，钦察汗国和伊利汗国独立，而窝阔台汗国由于窝阔台（太宗）和他儿子贵由（定宗）相继被选为大汗，其领地一直归中央管辖，实际上没有形成单独的汗国。
蒙哥征宋
蒙古与南宋在1234年联合灭金后，双方开始处于正面冲突状态。窝阔台时期，蒙古主力主要放在西征方面。对南宋，虽也曾出兵攻打过襄阳和川北，但都被宋军击败。
蒙哥即大汗位后，除派六弟旭烈兀率军西征外，又令四弟忽必烈继续南进。蒙古军在进攻南宋的战争中，尽管南宋朝廷君主软弱、大臣无能，但却遇到了南宋军队的顽强抵抗，蒙古统治者认识到灭亡南宋不是件轻而易举的事。因为在人口众多的南方，河流山脉纵横交错，都市地区人口密集，唯一可能进行的战争是围攻战。在围攻战中，来自草原的牧民们有些不知所措。如果要在中国南方取得胜利，必须有大批步兵团和一整套“火炮”设备。
为此，蒙哥令忽必烈采取迂回包抄的战略。1252年10月，忽必烈与大将军速不台之子兀良哈台一起离开了陕西，经四川而进入云南。云南当时尚不属于中国，它自八世纪起就形成了一个独立王国，即南诏，或名大理，由罗罗人或名傣人居住的非中国人的国家。由于处在地势复杂的山区，南诏总是能够保持完整的独立。忽必烈攻占其都城大理和善阐（云南府，也许是平定乡），被中国人称为段兴智的大理王在善阐避难（1253年）。忽必烈允许大理王作为“摩诃罗嵯”继续保留王位，但在他身旁安置了一位投降蒙古的中国人刘时中为蒙古行政官。尽管旧王朝保留了下来，但是整个云南被分割为若干蒙古军事管辖区。接着，兀良哈台攻打吐蕃，迫使他们–至少是与云南邻近的吐蕃人–承认了蒙古宗主权。大理国传国二十二世，共316年。
1257年年底，兀良哈台攻打安南国（都城河内）。兀良哈台从云南南下到东京平原，掠夺河内城，1258年3月，安南王陈太宗承认自己是蒙古人的属臣。
1258年9月，蒙哥决定亲自南下征宋。10月，他率蒙古主力从陕西进入四川，夺取了保宁。此后，在围攻战略要地合州时，蒙哥染上痢疾，于1259年8月11日在该城附近病故。
蒙哥死时，忽必烈正率领另一支蒙军从河北南下，围攻长江中游湖北省汉口对岸的鄂州（今武昌）。同时，兀良哈台（他已于1257年底从东京平原回到云南）离开云南，前往广西，他在广西攻打桂林，接着又到湖南攻打长沙。这样，当蒙哥去世时，宋朝已是北、西、南三面同时被围。但是，蒙哥的去世使宋朝获得了短暂的喘息。为了争得汗位，忽必烈暂时停止了对南宋的进攻，与宋臣贾似道和谈，签订了停战协议，即以长江作为两个帝国的共同边界线。此后，忽必烈率军返回河北。
蒙哥的统治
蒙哥即位时四十三岁，他是继成吉思汗之后最杰出的蒙古大汗。蒙哥沉默寡言、不好侈靡和狂饮暴食，唯一的乐趣是打猎。他使札撒和祖辈的戒律恢复其原来的严厉性。他还是一位能干的领袖和严厉而公正的管理者（他支付了他的前辈们签字而未付款的大量票据）。当然，他更是一位头脑冷静、理智的政治家。因此，他完全恢复了成吉思汗建立起来的强有力的国家。他加强了行政管理机构，把蒙古帝国建设成为了一个正规的大国。
尽管在蒙哥统治初期，他出于对拔都的感恩（因为是拔都使他当上了皇帝），而默许了拔都在巴尔喀什湖以西地区内实行独立统治。不过，1255年拔都去世后，蒙哥禁止了成吉思汗诸封地上的大汗的分裂蒙古帝国的行为，比如不允许他们享有免税权，或者与中央政权的代理人一起分享国家的税收等。
蒙哥是由信仰聂思托里安教的母亲、克烈部公主唆鲁禾帖尼抚养大的，所以他信仰聂思托里安教。他挑选了克烈部人、聂思托里安教徒孛鲁合为丞相。但是，他也倾向于佛教和道教。
在蒙哥统治时期，蒙古帝国恢复了成吉思汗时期的强大，其对外的扩张为元朝的强大以及欧亚间交往的扩大进一步奠定了基础。
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