蒙古成吉思汗在攻占西域后，把新疆分封给了他的次子察合台，新疆从此进入了察合台汗国统治时期。
察合台汗国的蒙古统治者一直信守成吉思汗的宗教政策和法令，为保证能够公平对待各宗教，察合台蒙古人也始终坚持自己的宗教信仰。但事物总是在变化的。蒙古人所统治的西域，是一个信仰伊斯兰教的民族和人口占绝大多数的地区，蒙古统治者要巩固自己的统治，必然要加强对伊斯兰教的了解。而生活在穆斯林社会中的蒙古百姓，他们社会交往的主要对象也是穆斯林。所以，无论蒙古上层统治者还是下层人民，在同穆斯林的长期交往中，不可避免地会受到伊斯兰教的影响。在蒙古人统治西域一个多世纪后，中亚的一些蒙古人包括蒙古贵族，开始接受伊斯兰教，成为第一批蒙古族穆斯林。蒙古人接受伊斯兰教的另一个原因，是由于当时的社会动乱。蒙古统治集团和部落首领为争夺权力常常兵戎相见，武装冲突乃至战争连绵不断，社会动荡，民不聊生。一些蒙古贵族为利用伊斯兰教加强自己的势力，便置成吉思汗的政策和法令于不顾，接受了伊斯兰教。而生活在社会下层的蒙古群众，则希望通过改变宗教信仰来寻求新的精神寄托。
察合台汗国同中亚蒙古汗国的情况差不多，也是兵连祸结，战乱频仍。同中亚不同的是新疆佛教仍有很大的势力和影响，伊斯兰教对蒙古人的冲击和影响不像对中亚各民族那么大。所以直到14世纪初，新疆地区还没有蒙古人接受伊斯兰教，但是情况不久就发生了变化。
察合台汗国经过长期动乱后，到14世纪初正式分裂为东、西两个汗国。东察合台汗国辖地主要在新疆。
1347年，东察合台汗国的杜格拉特部首领播鲁只把流落在民间的据说是成吉思汗七世孙的秃黑鲁帖木儿扶上了汗位，定都于阿力麻里。在秃黑鲁帖木儿正式登位前，播鲁只把他放在阿克苏进行监护。在此期间，秃黑鲁帖木儿遇到了成吉思汗时代其先祖被流放到新疆的苏菲派传教师谢赫贾拉里丁与额什丁和卓父子。在他们的说教下，秃黑鲁帖木儿接受了伊斯兰教，由于这件事有很大风险，他要求在他登上汗位并掌握了最高权力后再正式公开信仰和举行入教仪式。秃黑鲁帖木儿登位时，谢赫贾拉里丁已经在阿克苏去世。几年后，额什丁和卓才得知秃黑鲁帖木儿称汗的消息，便按照原来的约定，前往阿力麻里去见秃黑鲁帖木儿汗。秃黑鲁帖木儿汗由额什丁和卓为他举行了入教仪式，并取了一个“艾布伯克里·穆罕默德”的教名，正式成为一名穆斯林。秃黑鲁帖木儿汗是新疆地区第一位接受伊斯兰教的蒙古可汗。
把秃黑鲁帖木儿汗扶上汗位的杜格拉特部是察合台蒙古中一个比较强大的部落，他们让年仅18岁的秃黑鲁帖木儿当察合台可汗。目的就是为了掌握察合台汗国的实权。秃黑鲁帖木儿汗当然也不愿当傀儡，为了摆脱杜格拉特家族的控制，他采取了许多策略和措施，接受伊斯兰教并利用伊斯兰教势力，就是其中之一。为了迅速壮大以他为核心的这股宗教政治势力，秃黑鲁帖木儿汗入教后，就在额什丁和卓的支持和配合下，开始强制推行伊斯兰教，并迅速取得重大的成果。察合台汗国的全部王公贵族很快都皈依了伊斯兰教。不久，阿力麻里的16万蒙古人集体接受了伊斯兰教，成为穆斯林。
接着，他们开始向各地派出大批经过训练的传教师。这些传教师在大力宣传伊斯兰教的同时，还与各地统治者一起，采用强制手段迫使人们接受伊斯兰教。派往库车的是名为“库车伊斯兰教社团”的传教组织。该社团进入库车后，一方面在当地修建清真寺，开设经文学校，培养宗教职业人员，建立宗教法庭，散发《古兰经》等伊斯兰教典籍；一方面采取宣传和强制两种手段推行伊斯兰教。伊斯兰教的传教师深入到各地宣传伊斯兰教，并以秃黑鲁帖木儿汗的名义号召人们皈依伊斯兰教。与此同时，他们还用强制的手段迫使人们改宗，对接受伊斯兰教的人给予种种优待，对拒绝改宗者则施以各种方式的惩罚。在此情况下，库车的大多数居民接受了伊斯兰教。继于阗之后，新疆的又一个佛教中心就这样在伊斯兰教强制传播中湮灭了。
秃黑鲁帖木儿汗去世后，察合台汗国群雄争权，硝烟再起。其继承人也里牙思火者汗被蒙古贵族袭杀。在长期动乱后，秃黑鲁帖木儿汗的幼子黑的儿火者被杜格拉特部拥立为汗。黑的儿火者汗执政后，很快就恢复了由于统治集团内争而停顿下来的传教活动。这次传教活动的首要目标是新疆地区最后一个佛教中心吐鲁番。传教的方式采用了许多伊斯兰统治者惯常使用的武力方式，即伊斯兰“圣战”旗号下的军事征服。1392年，黑的儿火者汗亲自带领伊斯兰军队进攻吐鲁番。由于有当地伊斯兰教教徒做内应，佛教教徒的反抗很快就失败了。黑的儿火者汗一举攻占吐鲁番城，接着又占领了哈剌火州。
吐鲁番被并入伊斯兰势力范围后，新疆的佛教势力只剩下哈密最后一块地盘。1399年，黑的儿火者汗又发动了对哈密的“圣战”。当时，哈密还置于明朝的控制之下。驻守哈密的明军进行了顽强的抵抗，在历时一个月的战斗中，明军给伊斯兰军队以沉重打击。在最后的一次战斗中，黑的儿火者汗以及额什丁和卓家族的阿布纳赛尔丁和卓均被明军打死。对哈密的这次“圣战”以失败告终。
继黑的儿火者汗之后的穆罕默德汗，是察合台汗国统治者中一个极端狂热的伊斯兰教推行者。据穆斯林史书《中亚蒙兀儿史—拉失德史》记载，穆罕默德汗执政后即规定：所有蒙古人都必须接受伊斯兰教，必须遵守伊斯兰教的教规，按时礼拜，并要按照穆斯林的习惯头戴“缠头巾”，违者严加惩处。察合台蒙古人都被迫接受了伊斯兰教。这些蒙古人成为穆斯林后，在同当地维吾尔穆斯林的长期交往和互通婚姻中，其语言、文字、风俗习惯乃至社会生活和精神生活的方方面面都逐渐维吾尔化，最后都融入维吾尔族中。
在黑的儿火者汗进攻哈密失败后，吐鲁番的伊斯兰统治者又多次发动了对哈密的“圣战”，
与驻守哈密的明军反复争夺哈密。伊斯兰教虽然没有以武力攻占哈密，但是佛教势力在连绵不断的战争中受到了沉重的打击和削弱。在明朝军队退出哈密后，佛教势力更是急剧衰落。到16世纪初，佛教势力已基本退出了哈密。以哈密佛教势力的退出为标志，伊斯兰教在经过大约6个世纪的传播后，终于取代佛教成为新疆的主要宗教。这一过程中，蒙古统治者主动皈依伊斯兰教教，起了至关重要的作用。