自从成吉思汗建立大蒙古帝国以来，他们就把驰骋疆场，掠夺人口和税赋，扩大统治范围看成是一种光荣而高尚的事业，因此，成吉思汗及其子孙们曾先后三次发动大规模西征，建立了钦察、察合台、窝阔台和伊利四大汗国。忽必烈夺取政权以后，虽然没有继续发动西征，但窝阔台汗国的海都纠集察合台汗国势力与忽必烈急夺汗位的斗争一直没有停止，钦察汗国和伊利汗国则想乘机走上独立发展的道路。忽必烈为了取得对阿里不哥及窝阔台汗国和察合台汗国斗争的胜利，相继承认了钦察汗国和伊利汗国对该地区的统治权，但规定他们必须承认元朝的宗主国地位，汗位继承必须取得元朝大汗许可，并分遣子弟入侍及朝聘往来等，于是，钦察和伊利汗国发展成为元朝的宗藩之国。至于窝阔台汗国和察合台汗国，忽必烈自始至终没有允许他们走上独立发展的道路，名义上仍为元朝直接统治范围，所以，忽必烈同窝阔台、察合台后裔诸王的斗争，是忽必烈巩固汗位和巩固国家统一的斗争，不是对外侵略战争。
忽必烈虽然没有发动西征，但他继承了成吉思汗的事业，仍然把扩大统治范围看成大汗应有的光荣和高尚的事业，在灭宋期间及其以后的一段时间内，相继对日本、安南、缅国、爪哇等国发动了战争。在对外战争及交往中，忽必烈能征者征，能抚者抚。征抚结合，交往频繁。特别是同欧洲一些国家，采取了和平交往的形式，加强了双方的政治、经济和文化交流。这种征抚结合、弹性外交的政策，成为忽必烈外交的一大特色。
成吉思汗划分四子封地时，长子术赤的封地在额尔齐斯河以西、花剌子模以北，直到蒙古军马蹄所到之处。1235年—1242年，窝阔台派遣术赤第二子拔都率军进行第二次西征，占领了乌拉尔河以西伏尔加河流域钦察、不里阿耳等部族，并征服了斡罗思（即俄罗斯）等地。1242年夏，拔都接到窝阔台汗去世的消息，班师回国。1243年初，拔都到达伏尔加河下游，以萨莱城（今阿斯特拉罕附近）为首都，正式建立了东起额尔齐斯河、西至多瑙河、南辖克里木半岛和北高加索的钦察汗国。由于拔都所驻的穹帐使用金顶，故钦察汗国也称“金帐汗国”。在钦察汗国境内生活着花剌子模人、不里阿耳人、莫尔多瓦人、阿速人、希腊人、俄罗斯人、钦察人、康里人、蒙古人等各族人。
在忽必烈与阿里不哥争夺汗位期间，钦察汗国已经进入别儿哥（拔都之弟）统治时期，别儿哥表面上表示拥护阿里不哥，但实际上对阿里不哥与忽必烈的汗位之争并不介入，只是向双方派出使者进行劝和。接着，钦察汗国与伊利汗国为了争夺高加索地区而发生了战争，因为伊利汗国是忽必烈同母弟旭烈兀建立的，所以不能不影响钦察汗国与元朝的关系，钦察汗国开始对忽必烈有所戒备。
忽必烈为了取得对阿里不哥及西北诸王斗争的胜利，表示承认钦察汗对其地区的统治权。至元三年（1266年），别儿哥去世，拔都之孙忙哥帖木儿即位，正式得到忽必烈册封。海都叛乱，忽必烈为了联合钦察汗国共同打击海都，曾先后四次派遣铁连出使钦察汗国。铁连是乃蛮人，曾任过拔都王傅，为术赤系家臣。《元史·铁连传》说铁连“魁伟寡言，有谋略”，且善于“雄辩”。铁连到达钦察汗国，告以海都叛乱之事，请求忙哥帖木儿出兵夹击，忙哥帖木儿当即表示，“祖宗有训，叛者人得诛之。如通好不从，举师以行天罚，我即外应掩袭，剿绝不难矣。”后来，忙哥帖木儿虽曾一度出兵，但不久即与海都和好，曾与海都联合攻打察合台后王八剌，既而，与海都、八剌在答剌速河畔举行大聚会，划分了各自在中亚地区的势力范围，并支持八剌进攻伊利汗国。至元十三年（1276年），皇子那木罕和丞相安童率兵抵御海都，由于蒙哥之子昔里吉叛乱，皇子那木罕被劫送到与海都联盟的钦察汗国，一拘留就是八年，直到至元二十一年（1284年）脱脱蒙哥即位时，才将那木罕遣送还朝。同时，脱脱蒙哥致书忽必烈，表示臣服。从此，钦察汗国与元廷的关系才走上正常发展轨道。
忽必烈时期，虽然与钦察汗国的关系一波三折，但并未影响双方的政治、经济、文化交流。
这一时期，钦察汗国的主要政治、经济制度和组织，都是仿照大汗之廷规制的。在元朝通行的驿传制度开始在钦察汗国生了根，忽必烈发行的纸钞也开始在钦察汗国的大地上出现，火药和火器也传入钦察汗国，俄罗斯等武士均从蒙古人那里学会了铁火罐等使用火药引起燃烧和爆炸的新式火器。不少元朝工匠被迁至钦察汗国，在那里从事武器制造、铜镜制造等工作。俄罗斯等贵族开始采用东方服饰，也穿起了皮靴、长衫，戴上了圆帽，扎起了腰带，配上了桦皮弓和蒙古弯刀等。钦察汗国的人们也普遍形成了饮茶的习惯等等。内地的经济和文化对钦察汗国的影响实在不小。
钦察汗国的文化对元朝影响也很大。钦察、阿速、俄罗斯等族将士和工匠大量入居元朝，忽必烈时期，曾有大量钦察人跟随忽必烈征伐大理和南宋，忽必烈曾将钦察人单独组建一军，并列入宿卫军，至元二十三年（1286年），特立钦察卫，有行军千户19所，屯田3所，又曾调集1512名卫士在清州等地屯田等。忽必烈也曾将阿速人组建的军队列为宿卫军，至元九年（1272年），正式设立阿速拔都达鲁花赤，招集阿速正军3000多人，又选阿速揭只揭了温怯薛丹军700人，随从忽必烈车驾，宿卫京城等。
忽必烈时期，服务于元廷的、属于钦察汗国地区的著名将领和大臣、科学家也很多，其中影响最大的有土土哈和不忽木等人。
土土哈（1237年—1297年）是钦察人，班都察之子。拔都西征时，班都察投降蒙古，后来转到忽必烈帐下，跟从忽必烈征伐大理和南宋。中统元年（1260年），土土哈也与其父随从忽必烈征讨阿里不哥，并立了功，因而承袭父职为循卫哈剌赤长。至元十四年（1277年），海都叛乱时，土土哈率钦察军千人从伯颜北征，在追击脱脱木儿及昔里吉时，立有战功，得到大量赏赐。后来，被提升为枢密副使兼钦察亲军卫都指挥使，得到自任族人为官属的特权。又在平定乃颜、哈丹叛乱和抵御海都等西北诸王叛乱斗争中立下汗马功劳，受到忽必烈赞扬。
不忽木（1255年—1300年）出身于西域康里贵族家庭。“康里，即汉高车国也”。高车，也称丁零，魏晋以后称敕勒、铁勒等，南北朝时为突厥所并，隋时发展为回纥，在反抗突厥的斗争中不断发展壮大起来。唐德宗时改称为回鹘，元朝时大部分发展为畏兀儿，其中一部为康里。据陈垣先生考证，康里在畏兀儿西北，为成吉思汗长子术赤所封之地，即属于钦察汗国之人。不忽木的祖父海蓝伯和父亲燕真均为成吉思汗所俘，燕真被赐给庄圣皇后（即忽必烈母唆鲁禾帖尼）抚养，后来送给忽必烈为侍从。因此，不忽木得以留在忽必烈身边。并给事太子真金之东宫，从学于大儒王恂、许衡等，成为儒家思想的忠实信徒。忽必烈晚年提拔为中书平章政事，为忽必烈晚年的政治稳定作出了重要贡献。
钦察汗国地处欧亚北路交通要冲，欧洲商人和使节大多取道钦察汗国来元朝，他们走这条路虽然比较艰难，但很安全。元人前往欧洲，也有不少人通过钦察汗国。也有的商人先将货物运到钦察汗国，再转运到元朝；元朝商人也将货物运到钦察汗国，再转运到欧洲等地。因此，钦察汗国的首都萨莱成为沟通东西的国际性都市，输入产品极多，且成为东西方交往的中转站。钦察汗国在沟通欧亚交通，促进欧亚政治、经济和文化交流方面，作出了重要贡献。
伊利汗国是忽必烈的三弟旭烈兀建立的。1252年，蒙哥汗派遣旭烈兀率军进行第三次西征，旭烈兀在成吉思汗和窝阔台汗时期占领波斯大部分领土的基础上，攻陷报达（今伊拉克巴格达），灭掉黑衣大食（阿拉伯帝国阿拔斯王朝），又分兵攻入叙利亚等地。蒙哥死后，忽必烈与阿里不哥开始争夺汗位，忽必烈为了取得旭烈兀等人的支持，派人告知旭烈兀道：“各地区有叛乱，从质浑河（阿母河）岸到密昔儿（埃及）的大门，蒙古军队和大食人地区。应由你旭烈兀掌管，你要好好防守，以博取我们祖先的美名”。正式答应将阿母河以西直至埃及边境的波斯地区的蒙古、大食等军民划归旭烈兀统治，正式建立了伊利汗国。伊利是突厥语“从属”之意。旭烈兀以“伊利”为汗国名称，表示他愿意从属于大汗忽必烈。确实，在所有的宗藩之国中，伊利汗国与元朝的关系最为密切，在忽必烈与阿里不哥、北方诸王斗争中，伊利汗都站在忽必烈一边。
旭烈兀以后，伊利汗国的汗王即位，都必须接受元朝册命方为生效。《史集》记载，旭烈兀以后，诸王和大臣们一致拥护旭烈兀的长子阿八哈继承汗位，阿八哈说：“忽必烈汗是长房，怎能不经他的诏赐就登临汗位呢？”后在诸王和大臣们的强烈拥戴下，阿八哈表示同意继承汗位，但要权摄国政，同时遣使向忽必烈报丧，请求忽必烈册命他为汗。“在忽必烈合罕陛下的急使送来以他合罕名义颁发的玺书前，他端坐在椅子上治理国家”，始终不坐大汗之宝位。直到至元七年（1270年），忽必烈派来使者“带来了赐给阿八哈汗的诏旨、王冠、礼物，让他继承自己的父亲成为伊利地区的汗，沿着父祖的道路前进”，才“第二次登上汗位”，正式举行即位大典，“照例举行了欢庆仪式”。此后，伊利汗接受元朝大汗册命，正式形成为制度。
忽必烈在册命伊利汗即位同时，颁授给伊利汗印玺作为权力的象征，忽必烈先后赐给伊利汗的印玺有“辅国安民之宝”和“王府定国理民之宝”等。现存1279年阿八哈汗颁发的一张敕令上，盖有汉字“辅国安民之宝”方印，就是忽必烈颁赐给阿八哈的汗印。当时规定，在伊利汗颁发的诏敕、国书中，都必须把元朝大汗列在他的前面，如至元二十六年（1289年），伊利汗国阿鲁浑汗给法国国王菲力四世的国书中，开头便写“长生天气力里，大汗福荫里，阿鲁浑谕法朗国国王”。伊利汗的铸币上，也把元朝大汗之名列在旭烈兀之前，其上阿拉伯文曰：“最大可汗、伊儿汗大旭烈兀”。这一切，都充分说明元朝与伊利汗国的关系是一种宗藩关系。
元朝与伊利汗国的关系始终十分密切。官吏任用也常常互相交换。比如，阿八哈汗曾经派遣伯颜入元廷奏事，忽必烈见伯颜体貌雄伟。奏事清楚机敏，非常喜欢，便留在自己的身边，后来任为灭宋统帅及丞相、枢密院长官等，成为忽必烈一朝最为显赫的人物之一。忽必烈也曾派遣撒儿塔与奥都剌合蛮等出使伊利汗国，钩考他在伊利汗国的属民与分户应缴的财物。至元二十年（1283年），忽必烈又派遣丞相孛罗和拂林人爱薛出使伊利汗国，爱薛充当翻译。两人到达伊利汗国，见到阿鲁浑汗，深受阿鲁浑汗器重，阿鲁浑汗于是奏请忽必烈，把孛罗留下作为自己的丞相。从此，孛罗丞相定居伊利汗国，相继辅佐阿鲁浑、亦邻真朵儿只（海合都）、拜都、合赞、合儿班答（完者都）等人治国，为伊利汗国的发展作出了重要贡献。
忽必烈与伊利汗国交往频繁，促进了双方政治、经济和文化的交往与发展。据周良霄等人研究，元朝的政治、经济和文化制度对伊利汗国影响很大，其汗廷的组织与制度，几乎完全同于蒙古汗廷，选汗的忽里台制度、汗的即位仪式等都沿袭蒙古制度，与元朝一模一样。伊利汗国定都桃里寺（今伊朗阿塞拜疆大不里士），以蔑剌哈为陪都，亦仿效忽必烈实行冬夏两都巡幸制度。此外，陵墓的禁地设置、后妃的守宫继位、宗王出镇与分封制度、四怯薛制度、达鲁花赤制度、驿传牌符制度、崇信佛教及对各种思想兼容并蓄政策、军户的份地采邑制度、斡脱制度以及风俗方面的妻后母、兄死妻嫂、饮金屑酒宣誓、萨满占卜等，都几乎与忽必烈时期的元朝一模一样。伊利汗国还将忽必烈所行钞法搬移过来，也采用雕版印刷纸钞，发行全国。伊利汗国发行的纸钞完全仿照元朝至元钞，长方形，上面也有汉文“钞”字，四周纹饰照样刻印，不过多了阿拉伯文的颁发年份而已。钞面价值从半个迪尔汉到十个第纳尔不等。这是在辽宋金元以外的世界上第一次发行纸钞，具有重要意义。
忽必烈在将元朝政治、经济和文化传播到伊利汗国的同时，也大量吸收了伊利汗国的科技和文化。早在忽必烈出兵灭宋时，就曾遣使向阿八哈汗征用炮匠，阿八哈汗即遣回回炮手阿老瓦丁、亦思马因等赴元朝应命，将回回炮技术传入元朝。伊利汗国的天文学有一定的成就，忽必烈让来自叙利亚西部操阿拉伯语的拂林人爱薛掌管西域星历和医药二司，开始将回回天文历算介绍到元朝。接着，西域天文学家札马鲁丁根据回回天文学撰成《万年历》进献忽必烈。后来，郭守敬创制《授时历》时，大量吸收伊利汗国的天文学知识。忽必烈在恒星观测方面开始编制星表，主要是学习撒马尔罕和马拉格天文台的经验而后才实行的。郭守敬改革和设计的十三架天文仪器，在数量上与马拉格天文台相仿，功用也大体相同，其中简仪尤其有名，实际上是在学习马拉格天文台的黄赤道转换仪而后制成的，由于青出于蓝而胜于蓝，故称简仪。伊利汗国的医药学也颇为有名，当时大量传入元朝，为元朝医药学的发展输入了新鲜血液。
总之，在忽必烈时期，有大量的伊利汗国境内的波斯、阿拉伯等各族人入元做官、经商、行医和从事各种手工业等，也有不少汉族官员、文人、工匠和商人等留居伊利汗国，双方往来如同一家，经济文化交流发展到前所未有的程度，对促进双方政治、经济和文化的发展做出了重要贡献。
此外，伊利汗国地当欧亚南路交通要冲，通过伊利汗国境内的传统的“丝绸之路”以及从波斯湾到泉州、广州的海路都十分活跃。忽必烈曾经派遣扎木呵押失寒、崔杓持金十万两，通过伊利汗阿八哈市药于狮子国（今斯里兰卡）。又曾经颁给列班·扫马和马忽思二人铺马圣旨，允许他们赴耶路撒冷朝圣。列班·扫马通过伊利汗国出使罗马教廷和英法等国，加强了中国和西方各国的往来。忽必烈通过伊利汗国，确实为中西方的发展及其政治、经济和文化交流作出了不可磨灭的贡献。