与此同时，北辽灭完后，
北辽大将耶律大石率军西行，
公元1124年，率军西行的耶律大石，到达可敦城（今蒙古国布尔干省青托罗盖古回鹘城）建立根据地，
公元1132年，耶律大石在叶密立城登基称帝，号“菊儿汗”，群臣又尊汉号为“天佑皇帝”，建元延庆，西辽正式建立。
而此时，经过多年的政治演变，
喀喇汗王朝汗桃花石族的两大系已完全形成，
即长支阿里系和幼支哈桑系。
起初，王朝的统治权控制在阿里系手中，但玉素甫卡迪尔汗占领喀什噶尔后，王朝的统治权转到哈桑系手中。
公元1041年，伊卜拉欣用武力夺取布哈拉后，阿里系控制了河中地区，而哈桑系只控制王朝东部。
伊卜拉欣自称桃花石·博格拉·喀喇汗，完全独立自主，不承认东部喀喇汗为宗主。
于是在中亚地区形成了完全平行的两个独立王朝——东部喀喇汗王朝和西部喀喇汗王朝。
大约自1041年起，喀喇汗王朝正式分裂为二，
西汗为阿里后裔，通称阿里系，领有河中地区及费尔干纳西部，以撒马尔罕、布哈拉为都城；
东汗为哈仑·卜格拉汗后裔，通称哈仑或哈散系，领有怛逻斯、白水城、石城、费尔干纳东部、七河流域和喀什噶尔，以八剌沙衮为政治、军事都城，以喀什噶尔为宗教、文化中心。
公元1089年，塞尔柱王朝攻下布哈拉，
西部喀喇汗王朝从此在政治上成为塞尔柱王朝的附庸；
东部喀喇汗王朝在1130年，也曾一度表示臣服于塞尔柱王朝。
1124年，到达西域的耶律大石，曾经带领少量部众逃亡至东喀喇汗汗庭请求避难，
不料此时的东喀喇汗朝自顾不暇，
耶律大石遂联合3万回鹘族人，驻扎叶密立，开始发展自己的势力，
更是在公元1132年，于叶密立城，登基称帝，建立西辽。
公元1134年，东部喀喇汗王朝大可汗伊卜拉欣，同葛逻禄首领和康里首领不和，发生冲突，请求耶律大石出兵支援。
耶律大石趁机发动政变，占领八剌沙衮，作为自己的都城，
至此东部喀喇汗王朝势力大减，辖地只有喀什噶尔、阿克苏与和田地区。
而西部喀喇汗王朝，
从11世纪末、12世纪初起，已受塞尔柱突厥王朝（1038～1194）之挟制，
公元1137年，西辽大军在和毡，击溃西部喀喇汗王朝的军队。
公元1141年，九月九日，
西辽王朝与西亚的塞尔柱王朝，在卡特万草原上进行了历史上着名的“卡特万之会战”。
此战之中，耶律大石协同后辽上将魏振兴指挥东喀喇汗以少胜多，击败塞尔柱王朝，
西亚的塞尔柱王朝，战后势力退出了河中地区，
而西部喀喇汗王朝，则向西辽称臣，
改换宗主后，西部喀喇汗王朝得以用附庸形式保存下来。
卡特万之战击败塞尔柱帝国联军后，西辽称霸中亚，威名远播至欧洲，
附近的高昌回鹘、西喀喇汗国、东喀喇汗国及花剌子模先后臣服于强盛期的西辽。
至此，以耶律大石为首的西辽国，靠政变登上了中亚舞台，控制了整个西域、中亚地区。
西辽，结束了西域、中亚地区纷争扰攘百年的局面，创立了具有中华典章制度特色的大国。
不但制止了落后的游牧部民对城市的侵扰，保障了社会环境的和平安定，轻徭薄赋，发展了生产，循俗施政，取得了伊斯兰各国的尊奉。
这是八世纪唐朝在中亚的军事力量败于大食后，华夏政治势力的回归，是汉文化在伊斯兰世界中成功的渗入。
从西辽时期起，
虽然西辽政权直接占据了八剌沙衮附近，
但西辽国却将东、西喀喇汗与葛逻禄自治区分而治之，仅仅只是派驻不同的监察官进行监督而已，
实际上，东、西喀喇汗与葛逻禄自治区，仍然是半独立的政权，
喀喇汗朝之后，逐渐失去了七河流域与伊犁河流域，
开始由两个相对统一的王朝，演变为多个政权组成的松散联合体。
从12世纪中期开始，喀喇汗朝各地派驻的长官纷纷独立，与西辽分庭抗礼。
12世纪末期，一个名叫斡匝儿的葛逻禄响马，占据了喀喇汗朝的阿力麻里，建立起小汗国，
不久，另一个名为阿尔斯兰的葛逻禄人占据海押立，对抗西辽。
西喀喇汗朝，彻底失去了对伊犁河流域的控制。
而东喀喇汗王朝成为西辽王朝的附庸之后，
王朝的首领伊卜拉欣于公元1158年，被西辽王朝派往河中地区帮助西喀喇汗王朝镇压叛乱的葛逻禄人。
根据史料，东部喀喇汗王朝的首领又恢复了汗的称号。
继伊卜拉欣统治的是其儿子穆罕默德，之后是孙子玉素甫。
玉素甫在公元1205年，死于喀什噶尔，其子穆罕默德继位。
在穆罕默德统治时期，宗主国西辽王朝政局已很不稳定，
附庸国或独立，或转投成吉思汗。
穆罕默德汗被西辽王朝囚禁于八剌沙衮。
之后西辽，放穆罕默德汗回喀什噶尔，但是喀什噶尔贵族们并不欢迎穆罕默德汗，当他入城时被刺死于城门中，东喀喇汗王朝灭亡。
而西辽王朝归并河中地区后，封伊卜拉欣为桃花石汗，作为自己的附庸。
在他统治时期，西喀喇汗王朝与葛逻禄军事首领之间继续斗争。
公元1156年，桃花石汗伊卜拉欣与葛逻禄军事首领艾亚尔伯克在饥饿草原会战，战败被俘遭杀，暴尸于草原。
继位的是阿里，称恰格雷汗。
从此西喀喇汗王朝的统治权又转回哈桑系手中。
阿里是东喀喇汗王朝的乌兹干领主。
恰格雷汗阿里于公元1158年，杀死葛逻禄大首领比古汗，
比古汗的儿子们逃往花剌子模。
花剌子模沙鼓动并支持流亡的葛逻禄人进犯河中地区。
最后，经宗教界人士调解，双方订立和约。
西辽王朝认为携带武器的葛逻禄人始终是河中地区不安定的因素，决心予以彻底铲除。
公元1164年，西辽承天太后普速完，命令西喀喇汗王朝把布哈拉和撒马尔罕地区的葛逻禄人迁往喀什噶尔地区，他们到那里后不准再携带武器，要从事农业或其它劳动。
此举引起葛逻禄人暴动，他们联合起来，向布哈拉进军。
布哈拉地方长官用谈判稳住葛逻禄人，使他们失去警惕。
喀喇汗王朝的军队突然到达，葛逻禄人措手不及，遭到毁灭性的打击。
从此，葛逻禄人在河中地区的势力衰落，之后没有同喀喇汗王朝发生大的冲突。
此后西喀喇汗王朝汗位更替频繁，
13世纪初，末代君主奥斯曼即位时，汗权已经十分衰弱了。
公元1206年，布哈拉城爆发了手工业者桑贾尔领导的反对宗教封建主的市民起义，给教团势力以沉重打击。
原本臣属于西辽的花剌子模国王摩诃末，早已对河中地区虎视耽耽，一直在寻找时机。
他认为桑贾尔起义是征服这一地区的最好时机，
于是率领大军直取布哈拉。摩诃末很快攻下了布哈拉，把桑贾尔投入河中淹死，残酷地镇压了这次人民起义。
摩诃末为了“和平”占有整个河中地区，便暂时与西喀喇汗王朝结成同盟。
此举遭到西辽的强烈反对，出兵打败了花剌子模与西喀喇汗王朝的联军。
摩诃末逃回花剌子模后，西喀喇汗王朝首领奥斯曼又转向西辽王朝，并向西辽末代皇帝直鲁古的女儿求婚，但遭到拒绝。
奥斯曼受辱后又转向花剌子模国方面，并承认花剌子模国国王摩诃末，为自己的宗主国。
这引起西辽王朝的再次出兵，攻占了撤马尔罕。
但是此时西辽的东部发生了比这更为严重的叛乱——乃蛮王子屈出律起兵骚扰各地，
西辽末代皇帝直鲁古，不得不从中亚的撒马尔罕撤兵，返回东部。
花剌子模国王摩诃末，利用这一时机，再次率军进入河中地区，在奥斯曼人民的欢迎下进驻撒马尔罕。
成为花剌子模的属国后，奥斯曼处于花剌子模驻撒马尔罕总督的有力控制之下，完全失去自由。
西喀喇汗王朝人民则遭受到更为残酷的剥削。
公元1212年，河中地区的人民不满花剌子模王朝的盘剥，举行起义，奥斯曼汗支持这一行动。
花剌子模国王摩诃末，率军镇压，攻破撒马尔罕城，处死奥斯曼汗，西喀喇汗王朝灭亡。
同一年，
公元1211年，东部西域地区的乃蛮王子屈出律，取代西辽末帝直鲁古的统治，
西辽走向衰落，最终被屈出律篡国。
公元1218年，西辽篡国的屈出律被大蒙古国所灭，西辽灭亡。
西域，中亚、西亚、甚至东欧之地，开始被大蒙古帝国所占有和统治！