Первый правитель среднеазиатских и восточнотуркестанских владений монголов Чагатай был вторым сыном Чингиз-хана от его жены Борте из племени кунграт. Дата его рождения точно не установлена. Еще при жизни отца Чагатай слыл лучшим знатоком Ясы и высшим авторитетом во всех вопросах, связанных с монгольскими законами и обычаями. Как и его братья, он принимал участие в походах своего отца против Китая (1211–1216) и против империи Хорезмшахов (1219–1224). Вместе со своими братьями, Джучи и Угедеем, Чагатай осаждал Отрар, а затем Гургандж. Вероятно, в 1221 г. ему было поручено преследование Джалал ад-дина, сына хорезмшаха Мухаммада, вследствие чего зиму 1221–1222 гг. он провел в Северной Индии. Во время тангутского похода Чингиз-хана (1225–1227) Чагатай находился в Монголии в качестве начальника оставленных там войск. После смерти Чингиз-хана в 1227 г. Чагатай отправился в свой
Согласно сведениям Джалала Карши, область, составлявшая основную часть владений Чагатая в Семиречье, называлась Иль-Аларгу; главным городом ее был Алмалык, в Илийской долине. Небезынтересно, что от этого географического названия получил свою вторую
Как старший в ханском роде, после смерти своего отца и старшего брата Джучи (оба умерли в 1227 г.), Чагатай пользовался непререкаемым авторитетом. В 1228–1229 гг. он вместе со своим дядей Отчигином стоял во главе царевичей, провозгласивших великим ханом Угедея. По словам Рашид ад-Дина, при правлении Угедея (1229–1241) Чагатай обладал такой фактической властью во всей империи, что великий хан не принимал сколько-нибудь важных решений «без его совета и одобрения». Однако при всем этом он не являлся самостоятельным государем своего улуса: правителем культурных областей Мавераннахра и Восточного Туркестана был мусульманин Махмуд Ялавач, назначенный на эту должность великим ханом; великим ханом назначались и начальники монгольских войск в Мавераннахре. Чагатай как улусный правитель не имел полномочий смещать их без согласия великого хана.
Как в мусульманских, так и в китайских источниках Чагатай характеризуется как суровый человек, никогда не допускавший на своем лице улыбки и внушавший подчиненным только ужас. Будучи знатоком и блюстителем Ясы, Чагатай очень жестоко преследовал нарушения монгольских законов, а поскольку мусульманские обычаи часто вступали в противоречие с Ясой, он относился к исламу неблагожелательно. Кровавая жестокость, с которой Чагатай карал всякие проступки, возводимые им в ранг преступления, сделала его имя ненавистным мусульманам. У Джувайни приводятся стихи поэта Садида Авара на смерть Чагатая, в которых владетель большей части Семиречья и мусульманских областей Средней Азии осыпается горькими упреками:
Чагатай умер в начале 1242 г., пережив лишь на несколько месяцев своего брата, великого хана Угедея. Место его захоронения неизвестно. Судя по тому, что и Джучи, и Угедей были похоронены каждый на территории своего удела, Чагатай, очевидно, также был похоронен в своем уделе, вероятнее всего в области Иль-Аларгу, в Илийской долине.
Из всех сыновей Чингиз-хана, что первым отметил В. В. Бартольд, Чагатай был единственным, имя которого стало: 1) официальным термином для обозначения среднеазиатского монгольского государства; 2) названием кочевников, составлявших конную силу «Чагатайского государства»; 3) а также названием сложившегося в Средней Азии в эпоху Тимуридов тюркского литературного языка.