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蒙元时期，蒙古族的西进及其对新疆和中亚地区的统治，掀起了新疆和中亚地区新一轮的民族迁徙浪潮。在这一时期，不仅有从蒙古草原和中原地区迁往新疆及中亚地区的民族和移民，而且有不少新疆和中亚地区的居民迁往内地，这是区别于以往任何一个历史时期的显著特点。
公元13世纪初，蒙古族兴起。乞颜氏贵族铁木真被推为全蒙古的大汗，称成吉思汗，建立蒙古汗国。这时，蒙古形成统一的民族整体，由原来的部落名称变成为民族名称。
成吉思汗建立蒙古汗国后，开始南下和西征。在西征的过程中，他首先接受高昌回鹘王国成为蒙古的属部，接着又消灭西辽，占领花剌子模，将其统治区域从蒙古草原扩大到今新疆和中亚广大地区。继之，成吉思汗又命哲别、速不台越过太和岭（今高加索山），攻入钦察。蒙古军队在阿里吉河（今乌克兰日丹诺夫市北）战役中击溃斡罗思（俄罗斯）诸国王公与钦察汗的联军，尽掠斡罗思南部边境地区。
成吉思汗西征历时七年，蒙古铁骑踏遍了中亚、西南亚的东部及里海周围的地区。
公元1225年，成吉思汗将其西征所得土地，分授给三个儿子：长子术赤统辖宽田吉思海（今里海）以北及原花剌子模王国的领土；次子察合台统辖东至高昌回鹘王国以及焉耆以西地区，西至阿姆河流域的土地；三子窝阔台统辖准噶尔盆地北部，包括今塔城、阿勒泰地区和蒙古的西部。另外，由于最先降附蒙古，高昌亦都护受到特别优待，被允许保留自己的领地。成吉思汗三个儿子的封地，后来逐渐演变成了钦察、窝阔台、察合台三个汗国。
三个汗国并立的局面并没有维持多长时间。由于卷入窝阔台—贵由和拖雷—蒙哥两大派系的权力争斗，术赤、窝阔台、察合台的后裔或依附于这派和那派，或联合起来反对蒙古大汗。
公元1303年，在元朝平定海都之乱后不久，窝阔台汗国灭亡，其地大部分归入察合台汗国。公元1347年，察合台汗国分裂为东、西两部分，东察合台汗国的地理范围包括天山南北及巴尔喀什湖以东以南地区，西察合台汗国主要控制着河中地区（今乌兹别克斯坦境内，阿姆河与锡尔河之间）和阿富汗部分地区。此后，西察合台汗国逐渐演变为帖木儿汗国。至公元1500年，被乌孜别克汗昔班尼征服，帖木儿汗国灭亡。东察合台汗国于公元1514年为叶尔羌汗国所取代。
蒙古人西征及其对新疆和中亚地区的统治，导致了这一时期的民族大迁徙和大融合。蒙古人进入和统治西域时，汉人、女真人、西夏人等其他民族随西征军队进入西域，或作为军卒，或作为工匠，或作为垦殖者，这些人与蒙古人一样最终都融合到当地民族中去了。西域的畏兀儿人和哈剌鲁人是蒙古人信赖和依靠的力量，随蒙古人东征西讨，巴尔喀什湖的哈剌鲁人被元政府调往京师，令其掌皇宫禁门。蒙元时期，畏兀人有较高的社会地位，许多人东去中原任职，另有1000户畏兀儿人则被调到云南哈剌章屯戍。
蒙古人统治西域时，有迁入的民族也有迁出的民族。蒙古的兴起及其对新疆和中亚地区的统治，各民族之间的壁垒被打破，民族间的同化、融合超过了历史上任何时期，是新疆历史上民族大迁徙、大融合时期。
据《新疆“三史”教育简明读本》