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 нисбу(Иль-Аларгуви) мусульманский министр Чагатая, купец Кутб ад-дин Хабаш-Амид, умерший в 1260 г. и похороненный в одном из городов области Алмалыка. Известны начинания Чагатая по благоустройству своего улуса. Так, по его приказу была построена дорога из Восточного Туркестана через Урумчи, Манас и перевал Талки в Илийскую долину, для чего в нескольких местах были пробиты скалы и возведены из горного леса 48 мостов, настолько широких, что по ним могли проехать рядом две телеги. Около Алмалыка, вблизи высоких гор Кок, в местности Куяш («Солнечное»), которая летом была «похожа на рай», Чагатай устроил селение Кутлуг («Благодатное»). Там находилась его летняя резиденция. Зиму он проводил также в долине Или, в местности Мераузик-Ила. Область Или оставалась центром могущества улуса и после смерти Чагатая. Орда(резиденция) первых Чагатаидов находилась в долине Текеса (притока Или) и, согласно Джувайни, называлась Улуг-Иф.

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.

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» ( Рашид ад-Дин.Т. 2. С. 97). Алгуй должен был заботиться также о подвозе провианта и необходимых товаров для войска из Туркестана в Монголию.

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].