蒙古西征后，形成了钦察、察合台、伊利与窝阔台四个汗国。诸汗国逐渐成为事实上各自的独立政权，但在名义上，仍奉元朝皇帝为大汗、“一切蒙占君主的君主”、“四海万民之君和成吉思汗家族之长”。在通常情况下，诸汗国汗位的承袭，必须取得元朝皇帝的认可。伊利汗国的旭烈兀汗死，遗命子阿八哈汗继位。阿八哈辞位说：没有叔父忽必烈的命令，他不能即位。因此在未得忽必烈的正式册命之前，他始终不敢就正位，而是另设一座，权行汗权。直到一二七○年元朝所派的使臣奉诏来到后，他才遵旨重新举行登位的典礼。一二八四年阿鲁浑汗夺取了汗位，但也等到二年以后元朝的使臣到来，才正式即位为伊朗等地诸蒙古及大食民众之长。一二九一年乞合都即汗位，忽必烈赐给他藏语名亦怜真·朵儿只。合赞汗的即位与改奉伊斯兰教，同样要取得成宗铁穆耳的认可。一些有翊戴大功的贵族，也以请求元廷赐予官爵为荣。如阿鲁浑汗时期的不花，被元朝封为丞相，不赛音汗时期的出班，被元朝授以开府仪同三司、翊国公，给银印、金符。元王朝封授汗国贵族的这些官爵，显然都是来自汉族的传统官名。在特殊情况下，元廷甚至可以另派所在汗国的贵族来接替汗位。现存的资料表明：伊利汗国的国玺，是由元廷所颁赐的汉文刻印，一方为“辅国安民之宝”，另一方为“真命皇帝和顺万夷之宝”。
元朝皇帝与诸汗国通过赐予和朝贡保持经济上的交流。诸汗国的贡品多是西域的大珠、珍宝、玉器、水晶、马驼、文豹、狮虎、药物和特产的佩刀。元廷的回赐则为钞币、缎帛、绣采、金银和东北特产的海青猎鹰。贡使往往受命携来重金，广购元朝各种上产，使者本人也乘机贩运货物。因之，每一批使者实际上便是一支庞大的商队。元朝规定：所有使臣，从杭爱山至大都都可以乘驿前行，因而大大地便利了贡使的商贩活动。
在蒙古统治时期，东西方之间人民的交往也空前繁盛。早在成吉思汗西征中，一大批投附的官员、军卒、工匠和驱奴被掳东来，以后又辗转迁入内地。随后是大批中亚商贩、旅行家，沿着东西驿道，络绎东来。元人文献把他们泛称为回回人、西域人或大食人，统归色目。他们大都是伊斯兰教徒，在内地任便住坐，踪迹遍及城乡各处，但在一个地方内又往往保持小范围的聚居，嫁娶丧葬、宗教信仰仍坚持原有的习俗。在有回回人聚屠的城市中，如上都、太原等地，都建有礼拜寺。元朝设立回回哈的司，管领伊斯兰教徒刑名事务，答失蛮（回教徒）与佛、道和基督教徒一样，都享有特许的优免赋役的权利。他们在定居各地之后，都在不同程度上接受了汉文化，不少人成为汉文化修养很高的写作家，同时也把中亚的伊斯兰文化传播到中国。
与此同时，也有大批蒙、汉等各族人迁入中亚和西亚诸地。当旭烈兀西征时，除大批蒙古军外，曾征调汉人匠师上千人随征，其中包括使用火药的枪手。由中国发明的火药辗转经过阿刺伯而传入欧洲，对世界文明的发展作出了贡献。随军西征的蒙古人和汉人留住在伊利汗国，因为蒙古人当时主要信仰喇嘛教，所以在伊利汗国境内，一度佛寺兴盛。藏族创立的“喇嘛教”也由此传到了中亚地区。著名的全真道士丘处机和政治家耶律楚材都曾亲历中亚；旅行家常德奉使于旭烈兀，且远及呼罗珊诸地。当时还有一部分原属西辽的黑契丹人，以博刺克·阿只卜为首，又在克尔曼地区割据自守而臣附于蒙古。他们的统治前后维持达八十余年。直到十四世纪初，完者都汗征召其主沙只罕入朝，另派蒙古官员统治其地，契丹人后裔的这个政权才告结束。
东西方之间政治、经济关系空前密切，人**互迁移，文化上的交流也因此更为发达。中亚城邦中所习行的理算、扑买与商业斡脱组织等制度，都在元朝的政治制度与社会生活中产生了影响。一些色目权臣，也多惯于把中亚的统治制度强行推行于汉地。成宗以后，这种情况才有所变化。
回回的优秀科学成果，如医学、天文学等的传入，受到元朝人民的欢迎。著名的回回天文学家札马鲁丁在至元四年进《万年历》，忽必烈曾一度下令颁行。札马鲁丁又造咱秃哈剌只（多环仪）、咱突朔八台（方位仪）、鲁哈麻亦渺凹只（斜纬仪）、鲁哈麻亦木思塔余（平纬仪）、苦来亦撤麻（天球仪）、苦来亦阿儿子（地球仪）、兀速都儿刺不（观象仪）等回回天文仪器。元朝还专设有回回司天台。在当时元廷的秘书监里，保存有大量天文历算书籍和仪器。回回医学也很负盛名。元朝在太医院下设广惠司，拿修制御用回回药物及和剂，以疗诸宿卫士及在京孤寒者。广惠司的创建者是叙利亚人、景教徒爱薛。回回药物与验方在社会引起了普遍的重视。在秘书监中还保存有《忒毕医经十三部》（忒毕，阿剌伯语义为医学）。《常德西使记》载中亚的几种特效药物：阿只儿，状如苦参，治马鼠疮；妇人损胎及打扑内损，用豆许咽之自消。阿息儿，状如地骨皮，治妇人产后衣不下，又治金疮脓不出，嚼碎敷疮上即出脓痊愈。奴哥撤儿，形似桔梗，治金疮；肠与筋断者，嚼碎敷之自续。明初刻本《回回药方》，据考证系阿拉伯著名医学家依本· 贝塔儿的《简救法》一书的译本，大概是元代译出的。忽思慧所著的《饮膳正要》，是一本研究食物医药学的专著，其中也保存了一些回回药物及方剂。
大食人也黑迭儿是出色的建筑工程师，忽必烈时任茶迭儿局诸色人匠总管府达鲁花赤，兼领监宫殿。在大都宫城的设计中，“受任劳勚，夙夜不遑，心讲目算，指授肱麾，咸有成画”。后与张柔、段天祐同行工部事，管领修筑宫城，为大都城的修建作出了贡献。尼泊尔著名的绘画装塑家阿尼哥，中统元年受帝师八恩巴之招，率领匠师八十人造黄金塔于吐蕃。后从帝师入京，以塑绘和工巧著名一时，两都寺观的塑像，多出其手。阿老瓦了和亦思马因是伊利汗阿八哈应忽必烈之命而派遣来元的制炮家。他们所造的巨炮（一种投石机）曾用于进攻襄阳与常州，具有颇大的摧毁力。
中国文化也在波斯等地广泛传播。随同旭烈兀西征的有中国天文学家数人，其中包蛮子（？译音）最为著名。伊朗的著名天文学家纳速剌丁便是通过他而得以了解中国的天文推步术数。伊利汗国丞相拉施德在编纂他的世界历史名著《集史》时，曾有汉人学者李达时、倪克孙（均为译音）参与编著。《集史》中有关蒙古及元朝的某些史实，主要是得自一二八三年出使伊利汗国并留驻那里的元朝丞相李罗的口授。拉施德还主编过一部关于中国医学的百科全书，名为《伊利汗的中国科学宝藏》。孙思邈的《千金要方》也被译成了波斯文。合赞汗曾得眼疾，延请元朝医师治疗。这位医师采用放血疗法而收到了预期的效果。合赞汗本人，略知汉语，通晓中国史事，了解中国特产的草药。西亚流行的圆穹形建筑和绘画的手法与题材，也明显地反映了中国建筑与绘画艺术的影响。元朝的纸钞制度也传入伊利汗国，曾一度实行。