元朝在中央直辖的领地之外，还有所谓的四大汗国：钦察汗国、察合台汗国、窝阔台汗国和伊利汗国。四大汗国的统治者在血统上出自成吉思汗“黄金家族”，彼此血脉相联，因而同奉入主中原的元朝为宗主，与元朝驿路相通。
钦察汗国
钦察汗国实际上有两个：西钦察汗国和东钦察汗国。东西两个钦察汗国加在一起，是四个汗国中幅员最广的一个。
西钦察汗国由成吉思汗的孙子、术赤次子、西征统帅拔都建于1242年，其版图相当于前苏联的欧洲领土，再加上罗马尼亚与保加利亚，及今天属于波兰的加利西亚。由于拔都的大帐使用金顶，因此在欧洲史书中钦察汗国也被称作“金帐汗国”。西钦察汗国曾经盛极一时，到1357年后，则开始走向衰落，其内部篡弑相寻、小汗林立，最终于1480年被俄罗斯的伊凡三世所灭。
东钦察汗国的创立者是术赤的长子斡儿达，其封地是拔都让给他的：东有花剌子模旧壤——锡尔河与阿姆河的上游，北有“林中的百姓”，西与西钦察汗国为邻，南与察合台汗国为邻。东钦察汗国在第十一汗脱脱迷失在位时，于1381年吞并了钦察的西半部。最后内部分裂，他于1405年死在西伯利亚。他死后20年，东钦察汗国消亡。
察合台汗国和窝阔台汗国
察合台汗国和窝阔台汗国的一部分位于今中国境内，距离元朝本土较近。两汗国曾公开反对忽必烈的汉化政策，与元朝为敌。直到14世纪时察合台汗国吞并了窝阔台汗国，才承认元朝的宗主地位。
窝阔台汗国是四个汗国中幅员最小，历史最短的一个。其领地包括今蒙古的西部与新疆的北部，以及额尔齐斯河、额敏河和亦列河（今伊犁河）三条河流的下游。窝阔台可汗之子海都公开反叛元朝廷，窝阔台汗国的历史也仅及于海都之子察八儿。
察合台汗国的领地较窝阔台汗国要大，历史也要长。当察合台受封的时候，其国的封地东及亦列河，西及锡尔河，南及阿姆河，而以垂河流域位于核心。14世纪察合台汗国的第十位君主笃哇在位时，窝阔台汗国旧壤的大部分划入察合台汗国，新疆的西南部由于忽必烈大汗鞭长莫及，也归入了察合台汗国。察合台汗国前后有过30位君主，其中两位并非察合台的后裔，而是窝阔台的后裔。察合台汗国第十位君主笃哇很会打仗，始终站在海都的一边和忽必烈为敌。元朝直到成宗铁木耳在位时，他才约了海都的儿子察八儿一起归顺了中央，归顺不久又与察八儿失和，将窝阔台汗国完全吞并。
伊利汗国
伊利汗国的建立者是拖雷之子旭烈兀，与元朝统治者同为拖雷后裔，关系也较其他汗国更为密切。其版图包括今天的伊朗、伊拉克、阿富汗、叙利亚的一部分，还有今日属于土耳其的小阿美尼亚。旭烈兀于1252年打下巴格达，后又一度占领叙利亚的阿勒颇与大马士革。元朝与伊利汗国经济和文化交流十分频繁。在合赞汗统治时期，为争取当地领主和穆斯林的支持，改奉伊斯兰教为国教，废除“大汗”称号而改称“素丹”，加速了当地蒙古人的伊斯兰化进程。
