蒙古诸部崛起于中国北方草原后，1206年，铁木真(公元1162—1227年在位)统一了蒙古草原地区，成为蒙古大汗，尊称成吉思汗(意思为海洋般的大汗)。当时，蒙古西邻西辽和西夏，南接金朝。立国之后，不断扩张，在向南扩张的同时，更向西展开了征战。1217年，成吉思汗把侵金战争交给部将之后，便把征掠的矛头指向西方。攻灭西辽以后，从1219年起，成吉思汗亲率20万大军主力开始了西征。他借口中亚大国花剌子模(在今里海东，锡尔河南)劫杀了蒙古的商队，把目标首先对准了花剌子模。他首先攻陷花剌子模的都城撒马尔罕，将其夷为平地。随后，蒙古军队向西攻入钦察(在里海西、黑海北)，击溃了钦察、斡罗思(前苏联莫斯科、基辅一带)的联军，进入斡罗思南境。1226年，成吉思汗回军攻打西夏。次年，灭亡西夏。
成吉思汗死后，他的儿子窝阔台继承了汗位。窝阔台在1234年征灭金朝以后，于1235—1244年，发动了蒙古大军的第二次西征。这支西征军，由成吉思汗四个儿子中的长子率领。其中，成吉思汗的长孙拔都最为重要。历史上将这次西征称为“长子西征”。在征服了钦察、平定了斡罗斯以后，蒙古军分路西攻索烈尔(今波兰)，南伐马札儿(今匈牙利)。1243年，拔都在今俄罗斯境内建立起钦察汗国(又称金帐汗国)。
蒙哥统治时期，在1253年至1260年发动了第三次蒙古西征。这一次，蒙古大军由蒙哥之弟旭烈兀统率，先征灭木剌夷(今伊朗北部)，又在巴格达迫降了黑衣大食，灭亡了阿拉伯帝国。接着兵分三路，越过幼发拉底河，侵入叙利亚，进逼埃及。1260年忽必烈即大汗位，分封旭烈兀。旭烈兀的伊儿汗国，东起阿姆河，西至小亚细亚，北接钦察汗，南抵印度洋。
蒙古三次西征，搅动了当时欧亚大陆的整个文明世界，把原来因地理、经济、政治等各种条件互相阻隔的文明地区，用暴力手段暂时联系起来。在这段时间，中西交通与文化交流，达到历史上从未有过的高涨。
蒙古西征，带来了世界古代历史上一次较大规模的人口双向流动与迁徙。随着蒙古大军的西征，大批蒙古人、汉人、以及中国西北与中亚各族的人群，从东向西迁徙，进入中亚、西亚、东欧乃至西欧各地。以后随着各汗国的建立，这些西迁者有许多就在当地定居下来，把东亚的文明传到该地区。而随着蒙古远征军的东归，又有大批中亚人、西亚人、斡罗斯人、钦察人，或作为投顺的王公、贵族，或作为被掳的工匠、奴隶，辗转东来，也将他们的文明带到东亚来。而在蒙古帝国的广袤无垠的范围内，一时更有众多的商贩、使臣、旅行家往来如织，也起了传播文化、促进交往的作用。例如，道士丘处机(号长春真人)，奉成吉思汗之诏，从山东出发去见他，结果一直走到阿姆河畔才见到这位海洋大汗。他的随行弟子李志常，归来以后就撰写了《长春真人西游记》，记述了中亚各地的情况。天主教士普兰·迦尔宾等人，奉教皇之命，万里迢迢，出使蒙古，归去后也撰写了《蒙古历史》一书，对蒙古人的生活习俗、战略战术以及沿途见闻，作了记述。
由于蒙古西征扫平了西去欧洲的道路，同时钦察汗国和伊儿汗国等名义上仍要听命于汗巴里(即元大都，今北京)的大汗(即元朝皇帝)，所以元朝时中国与中亚、西亚乃至欧洲的联系比以前方便多了。早在窝阔台时期，已设置了直通西征军统帅拔都营帐的驿道。以后，由钦察草原和俄罗斯通往东方的交通日益发达。西方的商人和使节，常常经过钦察汗国的都城萨莱(今阿斯特拉罕附近)，到达阿姆河下游的玉龙杰赤(今土库曼库尼亚乌尔根奇)，过不花剌(今乌兹别克布哈拉)、撒马尔罕等地，到达天山北路东西交通要冲阿力麻里(今新疆霍城县)。从那里可以北走阿尔泰山南驿道抵达和林(蒙古都城，全称哈剌和林，故址在今蒙古人民共和国杭爱省厄尔得尼召北)，然后有驿道直通内地；也可以向东经过哈密力(今新疆哈密)，直接沿丝绸旧道前往中原。
伊儿汗国和元朝的统治者同是成吉思汗幼子拖雷的后裔，双方关系更为亲密。伊儿汗国自建国后，就在全国各地实行驿传制度，和蒙古大汗驻地直接交往。使者手持金牌，通行各地无阻。因此，穿行伊儿汗国境内的传统丝绸之路，在这一时期大放光彩。元朝和伊儿汗国之间的经济、文化交流规模空前。伊儿汗国的波斯人、阿拉伯人来到元朝做官、经商、从事手工业的人数众多。元朝蒙、汉族官员、商人、工匠也有许多人前往伊儿汗国定居。伊儿汗国利用了自己在中西交通上的地利之便，曾征集中国、阿拉伯、波斯、希伯来(犹太人别称)的天文历算学者，并在大不里士附近的马拉格建立了一座规模宏大的天文台，还建立了一座藏书达40万卷的图书馆。1272年左右完成的《伊儿汗天文表》，介绍了中国、希腊、阿拉伯和波斯的历法和天文学方面的著作。这部世界天文学史上的杰作，就是汇聚在伊儿汗国的各民族科学家合作的硕果。伊儿汗国对东西方文化交流，起了重要的媒介作用。