По Рашид ад-Дину, у Чагатая было восемь сыновей. Он еще при жизни, с согласия великого хана, назначил своим преемником Кара-Хулагу, самого старшего из детей своего старшего сына Мутугена, павшего в битве под Бамианом, на Гиндукуше, в 1221 г. После смерти великого хана Угедея и кончины Чагатая положение Монгольской империи осложнилось. Начался смутный период пятилетнего междуцарствия, в течение которого в роли правителя оставалась вдова Угедея, Туракина. На курултае 1246 г., вопреки воле Угедея, назначившего другого наследника, великим ханом был провозглашен Гуюк, старший сын Угедея, отличавшийся, как передает Джувайни, необузданно грубым и неумолимо жестоким характером. По приказу Гуюка в Чагатайском улусе Кара-Хулагу был низложен, и на престол в среднеазиатских владениях монголов возведен личный друг нового великого хана, Есу-Мунке, сын Чагатая, при котором всеми улусными делами заведовала его жена Тукаши. После кратковременного царствования Гуюка (1246–1248) началась борьба за власть, и потомки Джучи и Тулуя, совершив своеобразный переворот, в 1251 г. провозгласили главой империи старшего сына Тулуя Мунке.
Приход к власти нового великого хана начался с кровавой репрессии; царевичи из рода Чагатая и Угедея, обвиненные в заговоре против Мунке, были частью умерщвлены, частью изгнаны. Чтобы учинить погром в улусах мятежных Чингизидов, Мунке отправил на запад войско, которое должно было соединиться с отрядами Джучидов, расположившихся в местности между Каялыком и Отраром. По прибытии войска великого хана все улусные военачальники, заподозренные в сочувствии заговорщикам, были казнены. Формально эти улусы, однако, продолжали существовать; вдова Гуюка оставалась в его орде на Эмиле, а правительницей Улуса Чагатая, с согласия великого хана, стала Оркына, вдова скончавшегося незадолго перед этим Кара-Хулагу, дочь Туралчи-гургена из племени ойрат. В 1254 г. она, как владетельница Улуса Чагатая, встретила в Алмалыке войско Хулагу, брата великого хана, которому было суждено завоевать Иран, Ирак, уничтожить династию Аббасидских халифов и образовать новое Монгольское государство в Передней Азии. Фактически вся империя была поделена между потомками Тулуя и Джучи, и вместо господства всего ханского рода, как это было в царствование Угедея, теперь наступило двоевластие. Граница между сферами влияния великого хана Мунке и главы Улуса Джучи (Бату), по свидетельству Вильгельма де Рубрука, проходила в степи между реками Талас и Чу.
В 1260-х гг. единству Монгольской империи был нанесен окончательный удар. После смерти Мунке в 1259 г., последовавшей во время похода на Китай, произошла борьба за престол между двумя его братьями, и в 1260 г. были одновременно провозглашены два великих хана: Ариг-Буга в Монголии, в Каракоруме, и Хубилай в Китае, Кайпине. Став ханом, Хубилай поспешил отправить в Семиречье царевича Абишку с тем, чтобы он убил Оркына-хатун и стал правителем Улуса Чагатая; однако по дороге в Алмалык царевич был перехвачен воинами Ариг-Буги, который отдал приказ его убить. Со своей стороны Ариг-Буга отправил на запад внука Чагатая, Алгуя, выдав ему «ярлык быть государем Чагатаева улуса и охранять те рубежи от войска Кубилай-каана» (
Решительный и энергичный Алгуй в короткое время подчинил своей власти все бывшие родовые владения своего деда, отвоевал у Берке, хана Золотой Орды, Отрар и даже захватил Хорезм и северную часть Афганистана, раньше никогда не принадлежавшие дому Чагатая. Действуя сначала от имени Ариг-Буги, он потом открыто восстал против него и повсюду выступал как самостоятельный государь. Ариг-Буга вступил в борьбу с ним, но после некоторых успехов потерпел поражение и покинул Семиречье. Алгуй женился на Оркына-хатун и, как государь среднеазиатских владений монголов, утвердил Масуд-бека правителем оседлых областей Чагатайского улуса. Ариг-Буга подался в Монголию, потерпел там поражение от своего брата Хубилая и в 1264 г. сдался ему. Ханом всей империи был объявлен Хубилай, но только номинально: Хулагу в Персии, Берке во владениях Джучидов и Алгуй в Улусе Чагатая были фактически независимыми государями. По мнению В. В. Бартольда, Алгуя можно считать «основателем самостоятельного монгольского государства в Средней Азии» [92].