Уже в первом десятилетии XII века монголы подчинили себе народы Южной Сибири и затем вторглись в Китай, фактически контролировали весь Восточный Туркестан и Китай к северу от Хуанхэ. Теперь на пути Чингисхана в Восточную Европу и Переднюю Азию лежали Казахстан и Средняя Азия. В своих отношениях с тюркскими народами Чингисхан активно использовал дипломатию под лозунгом объединения всех кочевников Центральной Азии, их консолидации в единую империю. Нередко это приводило к заключению союзнических отношений, в том числе и сопровождавшихся династийньши браками, В период возвышения Чингисхана его главными противниками были уйгуры, кереиты, найманы, меркиты. Союзнические отношения монголы установили с уйгурами, а историк Рашид-ад-Дин писал о том, что, когда монголы вторглись в Семиречье, глава карлуков Арслан-хан добровольно им подчинился, принес дары Чингисхану и выразил желание стать его сыном. Присоединившиеся к монголам уйгуры, карлуки, часть найманов, кыпчаков и других тюркских племен воевали на их стороне. До прямого вооруженного вторжения и завоевания Казахстана монголы уже проникали на его территорию. Так, в 1211 году, преследуя разбитых найманов во главе с Кучлуком, которые направились к карахытаям в Семиречье, здесь появилось монгольское войско во главе с Хубилай-нойоном. Поскольку хан карлуков Арслан добровольно подчинился монголам, а они воевали с Китаем, в том же году Хубилай вернулся на восток. В 1216 году Чингисхан послал своего старшего сына Джучи до конца разбить меркитов, откочевавших в кьгачакские степи, Джу-чи вторгся в Тургайскую степь, но здесь произошла встреча монголов с войском хорезмшаха Мухаммада, который во главе 60-тысячной группировки выступил в поход против кыпчаков. Встреча закончилась сражением, продолжавшимся весь день, а ночью монголы, оставив зажженными костры, ушли.
Поводом для вооруженного вторжения монголов в Казахстан послужила так называемая «Отрарская катастрофа». Чингисхан готовился к походу долго и тщательно. Вести о победах монголов, в свою очередь, волновали правителей Средней Азии. Хорезмшах Мухаммад отправил в Монголию два посольства, а Чингисхан свое — в Хорезм. Весной 1218 года оно было принято хорезмшахом Мухаммадом, Вслед за тем монголы направили в Среднюю Азию торговый караван, состоявший из 500 верблюдов, его сопровождало 450 человек, летом 1218 года он прибыл в Отрар. Правитель Отрара кыпчак Гайир-хан Иналчик заподозрил купцов в шпионаже и приказал убить их, а караван разграбил. Чингисхан через своих послов потребовал выдать ему Гайир-хана, но в ответ послы были убиты. Это и послужило поводом к войне. Уже весной 1219 года монголы начали сгонять скот в долину Иртыша, где находились бескрайние пастбища сочных трав, полным ходом шла подготовка к войне, тем более, что для нее теперь был предлог.
Поход начался в сентябре 1219 года с берегов Иртыша, когда, вероятнее всего, около 150 тыс. воинов Чингисхана (одних только инженеров, рабочих, мастеров осадочных машин было около 15 тыс. человек) со своими союзниками — семире-ченскими карлуками и восточнотуркестанскими уйгурами двинулись через Семиречье до Сырдарьи. Осень и зима были любимыми временами года для монголов, поскольку реки, болота и топи покрывались льдом и не представляли преграды для их конницы. Подойдя к Отрару, сыновья Чингисхана Чагатай и Угэдей остались, чтобы захватить его, а Джучи направился со своим отрядом к низовьям Сырдарьи — на Дженд и Янгикент, покорять эти города, сам же Чингисхан со своим сыном Тулуем двинулся на Бухару и Самарканд — столицу Мавераннахра, один из крупнейших торговых центров мира того времени.
Правитель Отрара Гайир-хан защищался отчаянно с войском от 20 до 50 тыс. человек. Но на исходе пятого месяца осады хорезмский военачальник Караджа-хаджиб с десятитысячным войском сдались монголам, впустив их в город, за что впоследствии ими же и были казнены как предатели. Отрар еще месяц оборонялся силами воинов Гайир-хана, укрепившихся в цитадели, которая все же в феврале 1220 года была взята. Гайир-хан был подвергнут жестокой казни и умерщвлен.
Героическое сопротивление оказал монголам и Сыгнак — центр государственного объединения присырдаръинских кыпчаков. Осада его продолжалась семь дней и ночей, а после его взятия весной 1220 года все население было перебито монголами. Также мужественно оборонялся Ашнас, множество жителей которого тоже погибло.
В марте 1220 года за несколько дней монголы взяли Бухару, в апреле — Самарканд, несмотря на то, что этот город оборонял гарнизон численностью 110 тыс. человек и 20 боевых слонов, а вся армия хорезмшаха Мухаммада составляла не менее 400 тыс. воинов. В 1221 году Джучи, взяв Гургендж (Ургенч), во главе многочисленного отряда отправился в поход к северо-востоку от Арала в степи Казахстана, преодолевая сопротивление кыпчаков. Осенью 1224 года Чингисхан вернулся в Монголию. Таким образом, в результате нашествия 1219-1224 годов Казахстан и Средняя Азия вошли в состав Монгольской империи.
Чингисхан умер в возрасте 72 лет в год «гаха», год кабана, и похоронен у истоков реки Онон на горе Бурхан-Калдан в месте, которое избрал еще при жизни. Покорил «сотрясатель Вселенной» четыре пятых территории Старого Света с населением свыше 1 млрд. человек. И над всей обширной равниной Европы и Азии в XIII веке установилось «единое геополитическое начало Монголосферы». Монгольское нашествие внесло существенные изменения в этнололитическое развитие Казахстана, оно принесло с собой разрушения и опустошения, неисчислимые бедствия. Об этом свидетельствовал Плано Карпини, посол Папы Римского при дворе великого хана монголов, который в 1245-1247 годах побывал в Южном и Юго-Восточном Казахстане. Монголы полностью уничтожили южноказахстанские города Отрар, Сыгнак, Ашнас. Монгольское завоевание сопровождалось истреблением людей, обращением их в рабство, разрушением оазисов, производительных сил, уничтожением материальных и культурных ценностей. Арабский историк Ибн аль-Асир писал об этом; «Если бы кто сказал, что с тех пор, как Аллах Всемогущий и Всевышний создал человека, по настоящее время мир не испытывал ничего подобного, то он был бы прав.,. Может быть, род людской и не увидит ничего подобного этому событию до представления света и исчезновения мира,.. Монголы ни над кем не сжалились, а избивали женщин, мужчин, младенцев, распарывали утробы беременных и умерщвляли зародыши». Немало представителей племен, населявших Казахстан, оказалось из-за монгольского завоевания в Венгрии, на Балканах, Индии, Египте, Китае. Жители Казахстана не прекращали освободительной борьбы против завоевателей. По данным арабского писателя Ибн-Васыля, в 1229-1230 годах в Западном Казахстане вспыхнуло восстание против монголов. В 1237 году оно разгорелось с новой силой, здесь выделялся отряд кыпчаков во главе с Бачманом. Об этом также сообщают китайские и персидские источники ХIII-ХIV веков. О масштабах восстания под руководством Бачмана из племени ольбурлик говорит тот факт, что для его поимки внуком Чингисхана Мункэ был снаряжен отряд из 20 тыс, воинов, а когда он укрылся на одном из островов на Волге, то была снаряжена флотилия из 200 судов. Плененного Бачмана перед казнью монголы хотели поставить на колени, на что тот ответил: «Я сам вождь и не боюсь смерти. Я не верблюд, чтобы становиться на колени».
Оказавшиеся на пределами своей Родины эмигранты, а также гулямы и мамлюки из Казахстана сыграли значительную роль в развитии соседних государств и целых регионов. Примером могут служить Делийский и Египетский султанаты. По сведениям мусульманского автора Ибн аль-Асира, в 1220-1221 годах 30 тыс. тюрков из государства Хорезмшахов, преследуемых монголами, с боями пришли в Индию. В их составе были не только воины, но и поэты, ученые, религиозные деятели, вследствие чего в XIII веке Дели стал одним из значительных центров культурной жизни Индии и всего Востока. Сюда стекались эмигранты из Самарканда, Бухары, Отрара, Герата и других городов — жертв нашествий Чингисхана. Основателем кыпчакекой правящей династии Шамсийя в Делийском султанате стал кыпчак Музаффар Ельтутмиш. Его дочь Разийя была единственной законной наследницей, коронованной в странах исламского мира. Она носила титулы: «Опора женщин, владычица эпохи», «Любимица мира и веры». Сам Ельтутмиш, его предшественник Айбек и последователи Разийя и Балбан оказали заметное влияние на развитие Индии, защитили ее от монгольского порабощения.
Египет тоже испытал пришествие к власти выходцев из Казахстана, что было вызвано монгольскими завоеваниями XIII века. Кыпчаки Кутуз и Бейбарс сделали многое для того, чтобы остановить продвижение монголов на мусульманский Восток. А кыпчак Калаун положил начало династии, которая правила в этой стране 103 года. Особенно выделялся его единственный сын Ан-Насир от монгольской принцессы Аслун, который правил Египтом 43 года. Все эти правители оставили после себя не только боевую славу, спасли своим мужеством и героизмом арабскую мусульманскую цивилизацию от нашествия монголов, но и внесли огромный вклад в ее культуру, в развитие искусства, науки, литературы. Шедеврами архитектуры являются мечети, мавзолеи, медресе, муристаны, акведуки и другие грандиозные сооружения. Всего за время правления мамлюков только в Каире было построено 150 великолепных зданий — произведений архитектурного искусства. Влиятельными политическими деятелями в Китае после завоевания его монголами и создания империи Юань были также выходцы из Казахстана кыпчаки Чжанур, Яньтимур, кангльг Иналтото, Асанбука и др.