13世纪时，忽必烈在争夺汗位的战争中取得胜利，把窝阔台汗的土地赐给有功的察合台汗的后裔。察合台后王封地许多拥有大领地的封建主拥兵割据。1321年乜先不花死后，封地完全分裂。东察合台领有中国新疆一带，西察合台则占有阿姆河和锡尔河间的河中地带，互相争战不息。居住在西察合台境内的多为突厥人，蒙古人也同化于突厥族。跛子帖木儿即出身于突厥化的蒙古贵族家庭。1370年，帖木儿推翻撒马尔罕的统治者，成为西察合台的苏丹。他利用中亚突厥游牧部落组成的强大军队，开始侵略邻近国家。约十年左右，帖木儿完全控制了河中地带和花刺子模。

帖木儿据有肥沃富庶的河中地区后，梦想追踪成吉思汗，建立大帝国，在位三十余年间(1370-1405年)，进行了多次远对外侵略。当时中亚邻近国家如伊儿汗国、印度、钦察汗国， 都处于分裂局面，给帖木儿的侵略战争造成有利条件。1380年，帖木儿开始进攻伊儿汗国，战争延绵多年，夺取伊朗和阿富汗。1390年，北攻钦察汗国。1393年，又占领美索不达米亚，然后进兵南高加索，于次年再度向钦察汗国进攻。帖木儿在钦察境内毁坏顿河上的叶勒茨城，折往克里米亚，劫掠富庶的商业城市卡发和塔那，最后破坏钦察汗国的首都萨莱，回军南高加索。1398 年，帖木儿侵入印度，在德里附近击败图格拉朝的军队，攻陷德里，屠杀居民近十万人，并掠夺大量战利品回到撒马尔罕。1399年，帖木儿侵入小亚细亚，于1402年在安卡拉附近和奥斯曼帝国发生激战。据当时人估计，此役双方结集军队达百万人，帖木儿军中还使用印度战象。苏丹246巴耶塞特轻敌大败，被帖术儿俘虏。帖木儿的侵略战争使各地遭受破坏，每下一城，除俘房少数工匠带走外，几乎屠杀金部居民。花朝子被首都乌尔健赤陷客后，全城夷为废塘，播种撕麦。帖木儿晚年还梦想远征中国，当1405年集结大军越过锡尔河时，在军中病死。

帖木儿和他的儿子沙鲁（1405-1448年）竭力加强对帝国的统治。帖木儿自称为成吉思汗后裔，所制法令皆以成吉思汗的札撤黑为标榜。实际上帝国很少采行蒙古制度，伊斯兰教与伊朗传统仍古统治地位，帖木儿也以伊斯兰教的保护者自居。帝国的首脑为苏丹，下有宰相和大臣，管理官廷、各地行政、军务、行旅以及边境等。地方分为大小州，各有民政、军政及财政长官。帝国境内有完善的驿站制度，军情政令旦夕可达，苏丹耳目又遍于全境，严密控制着整个帝国。

都城撒马尔罕是帝国经济文化中心。城内有远方工匠如中国的陶磁匠，大马士革的丝织匠、车匠、弓矢匠，安哥拉的毛织匠，格鲁吉亚的宝石匠等，约十五万人,扩大并提高了手工业生产。

东西贸易也十分昌盛。印度的香料和颜料、中国的丝绸和瓷器、北方的毛皮，都经此运输各地。撒马尔罕有壮丽的宫殿、宏伟的清真寺，还有伊斯兰学校和观象台。宫廷里聚集了不少御用文人，其中着名的有用波斯文写作的抒情诗人哈菲兹和香理诗人札来。15世纪后期，又出现用突厥文写的诗文和历史。天文历算之学也很发达。帖术儿的孙子乌鲁格(1448-1449年)曾发明天象观测仪器，着有天文表，对于天文和算学都有贡献。他的着作以后在欧洲屡次翻译出版。帖木儿帝国和中国的明朝、埃及、西班牙等都保持联系，和明朝的使节往来尤其频繁，经济文化交流也很密切中。

1403年，西班牙卡斯提国王曾遣使克拉维约东来报聘，回国后所着《东使记》详细记述了帖木儿帝国的繁荣兴盛。

帖木儿帝国的强盛不能持久。国内各地区的经济发展很不平衡，又充满民族压迫和阶级矛盾。14世纪末，在里海西南和美索不达米亚之间，兴起黑羊和白羊两个土库曼王朝。到15世纪后期，国内封建主混战，陷于四分五裂。北方的游牧部落乌兹别克人乘机侵入，于1500年占领帝国的全部领土，帖木儿帝国灭亡。乌兹别克人占领中亚不久，帖木儿后裔巴布尔以费尔干纳为根据地，不断争夺撒马尔罕。巴布尔失败南下，占据喀布尔，侵入印度，建立莫卧儿帝国。乌兹别克人以后夺取布哈拉和基发，建立布哈拉汗国和基发汗国，一直维持到19世纪后期。