成吉思汗的去世使攻灭金国的计划推迟了两年。早在1215年，金将蒲鲜万奴叛金自立，盘踞辽东。1229年，窝阔台即位后，立即按照成吉思汗规划的灭金战略发动了对金朝的进攻，即遣撒礼塔、吾也而等领兵进辽东，取盖州、宣城等十余城，金朝辽东行省控制的辽东南部地区尽为蒙古占领。
1230年秋，窝阔台与拖雷率军渡过大漠南进．兵入山西，渡过黄河，与陕西蒙古军会合，直取风翔（今陕西省凤翔县）。次年春，蒙古军攻破凤翔，金放弃京兆大片领上，扼守潼关，退保河南。
为消灭札兰丁及其余部，窝阔台即位后立即派绰儿马罕率领3万军队去征讨重兴的花刺子模国。蒙古军急速进兵，于1230年冬抵达阿哲儿拜占，札兰丁闻讯，惊慌失措地逃入木干草原。其后一直东躲西窜，最后在迪牙别乞儿（今土耳其东部）的山中，被当地的农夫杀死。绰儿马罕遂又攻掠了波斯西北部许多地方。
拖雷监国二年（1229年），被推为大汗。由契丹人耶律楚材掌领汉人赋税，牙老瓦赤掌领西域赋税。
1230年，在汉地设置十路征收课税使，推行丁税、地税法。次年，与弟拖雷分道攻金。
1231年夏，窝阔台回居庸关北的官山（今内蒙古单资北灰腾梁）大会诸侯王，商讨攻金之策。窝阔台采纳拖雷的意见，决定分兵三道进征：窝阔台自统中军．渡河向洛阳进发；斡赤斤以左军由济南进；拖雷总右军，由宝鸡南下，通过宋境，沿汉水达唐、邓，以成包抄之势。约定于次年正月三军会师汴京。
1231年秋，窝阔台亲统兵马围攻河中府城（今山西永济西），金兵拼命抵抗，打了两个月，才将城攻破。接着蒙古军由白坡渡河，进屯郑州；金卫州节度使弃城逃到汴京，黄河防线被冲毁。
拖雷率军攻破大散关，攻入汉中，从金州（今陕西安康）东下，取房州、均州，渡过汉水，进入邓州。1232年春，拖雷精骑与完颜合达军在钧州（今河南禹县）西北的三峰山大会战。金军35万精锐部队几乎全军覆没。蒙古军攻下钧州，俘杀完颜合达。潼关守将也献关投降，河南十余州均被蒙古攻陷。窝阔台与拖雷在钧州会师。
1232年3月，窝阔台命大将速不台进围汴京，自己与拖雷北返。速不台围攻汴京，金哀宗遣使议和，而汴京军民奋力抗战，用震天雷、飞火枪等火药武器打击蒙古军。聚众达250万人口的汴京城内一片混乱，入夏后瘟疫流行，死者达90余万人以上。城中乏粮，居民至人相食，满城萧然，死者相枕。
窝阔台常请耶律楚材进说周孔之教，懂得了“天下可马上得之，不可以马上治之”的道理。他曾请名儒向皇太子和诸王大臣子孙讲解儒家经义。1232年攻汴京时，耶律楚材遣人入城求得孔子51代孙孔元措，由窝阔台封为衍圣公。
1233年初，金哀宗带部分臣僚和军队出奔，辗转逃至归德。这时，金汴京西面元帅崔立杀留守完颜奴申等献城投降。四月，速不台在青城接受崔立送出的金后妃、宗室和宝器。速不台杀金荆王、益王等全部宗室近属。遣人送后妃和宝器给窝阔台，而后进入汴京。
六月，金哀宗从归德逃奔蔡州（今河南汝南），蒙古将领塔察儿率部围攻，因军中缺粮，将士困惫，蒙古要求南宋联合攻蔡，宋廷感到向金复仇的机会来了，派出2万军队，送粮30万石，帮助蒙古攻蔡。1234年春，宋军攻破南城，蒙古军攻破西城，金哀宗在幽兰轩自缢而死，金国灭亡。
1231年，蒙古军侵入高丽，包围王京，高丽王降，至此，辽东只剩下万奴的割据势力。1233年二月，窝阔台遣皇子贵由，宗王按赤带（合赤温子）、国王塔思（木华黎孙）统左翼军讨伐万奴。九月，蒙古军攻占都城南京（今吉林延吉市东城子山），蒙古军占领辽东，后二年，置南京、开元2万户府镇戍和管辖这个地区。
灭金之后，蒙古军队北还休整。南宋当权者没有坚持要求蒙古兑现以河南地归宋的诺言，却同意以陈、蔡西北地属蒙古。他们抱有幻想，没有足够的警惕防范蒙古入侵，反而企图乘机出兵收复三京（西京洛阳、东京开封、南京归德）与河南其他地方。
在驱动铁骑震撼欧亚的同时，窝阔台还非常重视对中原地区的治理。在耶律楚材的劝谏下，窝阔台已开始注意保存人口。1232年，窝阔台征河南时，他同意制旗数百面，发给降民，让他们持旗为凭，归回乡里。
1234年六月，庐州知州全子才奉诏率军万人至汴，汴京人杀蒙古所置长官崔立降宋。宋兵西进，洛阳人民也开城迎纳宋师。恰在这时，窝阔台在蒙古诸王大会上已决定大举南侵。塔察儿率军将不堪一击的宋军击溃，迅速收复了洛阳、汴京。窝阔台派使者指责宋朝发兵入洛，宋朝只得屈辱求全，寄望于议和。
太宗六年（1234年），与宋联军灭金。次年，议定分兵西征中亚、欧洲，东侵高丽，南攻南宋。在位期间，采用“汉法”，立朝仪，建中书省，确定赋税，建立驿站，命路府州县置达鲁花赤，以探马赤军分镇中原，设官分掌军民诸事。晚年统治渐趋混乱。
1235年，窝阔台召诸王大会，决定征讨钦察、斡罗思等未服诸国，命各支宗室均以长子统率出征军，万户以下各级那颜亦遣长子从征。出征诸乇以拔都（术赤长子）为首，实际统兵作战的主将是速不台，出征军的人数约有15万。
1235年，蒙古军分两路攻宋。东路军由皇子阔出、诸王口温不花（别里古台子）、国王塔思等统率，汉军万户史天泽等从征。八月，蒙古军入唐州，末将全子才弃军逃遁。十月，阔出统大军攻陷枣阳，引兵西掠襄阳、邓州等地。
蒙古侵宋的西路军由皇子阔端、都元帅达海绀卜等统率，汉军万户刘黑马等从征，进取四川。1236年，阔端率主力由大散关南下，取风州，攻破武休关，入兴元（今陕西汉中），进取大安（今陕西宁强）阳平关，末将曹友闻率部坚守，终因救援不至。寡不敌众，全军尽没。另一路蒙古军由宗王穆直、大将按竺迩等率领，取宕昌、阶，文诸州，复陷龙州（今四川江油），遂与阔端军会合，一起攻破成都。不久，阔端引兵退出。宋朝渐将失地收复。
1236年春，蒙古诸王和速不台等率师出发，秋天抵达不里阿耳，与先已在那里的拔都兄弟会合。速不台统先锋军取不里阿耳。诸王会商后，各率本部兵征进。蒙古军攻破不里阿耳都城，杀掠之后将此城焚毁。
同年冬，蒙哥率军逼临亦的勒河下游的钦察部。钦察部首领忽鲁速蛮先已遣使纳款，刚好蒙古军来到，其子班都察率部归降。另一钦察首领八赤蛮有胆有勇，不肯投降，率部出没于亦的勒河下游密林中，不时袭击蒙古军。
1236年，襄阳宋将叛降蒙古，城中储积的大量粮食、军器、金银尽为蒙古所得。
1237年春，蒙哥得到速不台增援，击败八赤蛮，尽歼钦察军，八赤蛮被擒杀。
1237年，蒙古军又攻克光州（今河南潢川），抄掠随州、复州（今湖北天门）等地。
1237年秋，拔都等诸王召开了一次忽里台大会，决定共同进兵斡罗思。蒙古军先是征服了莫尔多瓦，又围攻也烈赞城，战至第六日城破，城里王公及兵士、居民尽遭屠杀，城市被焚毁。
1238年，塔思率军攻下安庆府（今安徽潜山），劫掠而还。由于宋军拼死抵抗，蒙古军被迫后退。
1241年，蒙古军复入蜀，破210余城，兵民惨遭屠掠。
窝阔台时期的侵宋战争，使荆襄、四川、两淮的许多地方遭到蹂躏。但其主要目的在于掠夺财物，同时在南宋各地军民的抗击下，蒙古军也受到了不少损失，未能在所攻占的地区建立统治。
1238年初，蒙古军分兵四出，一个月内连破科罗木纳、莫斯科、罗思托夫等十余城。二月，进围公国首府弗拉基米尔城，蒙古军胁迫被俘的斡罗思人参加攻城，猛攻五日，城破，纵兵抢掠烧杀，避入教堂的大公家属和城中显贵尽被烧死。蒙古军又进攻昔迪河畔的大公军营，将敌军歼灭。斡罗思大公战死。
蒙古军兵锋南指，抄掠了斯摩棱斯克、契尔尼果夫等地，并继续略取钦察草原西部地。钦察部长忽滩战败，率余部迁入马札儿（今匈牙利）。
1238年（嘉熙二年），达海绀卜等又率军攻入四川，陷隆庆（今四川剑阁）。
1239年（嘉熙三年），蒙哥、贵由统兵进入阿速国（前苏联境内），用时三个月才攻破其都城蔑怯思，阿速国主杭忽思投降，蒙哥命签其丁壮从军。嘉熙四年春，蒙哥、贵由继续在太和岭（高加索山）北用兵，秋天，窝阔台遣派使者召贵由、蒙哥东归。
拔都率军经略亦的勒河以东诸地，并在钦察草原休养士马。
1239年，攻打重庆，继而东下万州（今重庆万州区）、夔州（今重庆奉节），受挫而还。
1239年（嘉熙三年），遣兵再次进入斡罗思抄掠。第二年秋，拔都亲统大军围攻斡罗思囱都乞瓦。蒙古军攻入城内，纵兵杀掠。随即又攻入伽里赤国，破其都城弗拉基米尔沃沦和境内其他城市。
1241年春，蒙古军分兵二路，一路由拜答儿。兀良合台等率领侵入孛烈儿（波兰），一路由拔都兄弟、速不台等率领侵入马札儿（今匈牙利）。蒙古军击败孛烈儿军队，攻入克剌可夫，将其烧毁，然后乘筏渡过奥得河。昔烈西亚侯亨利集结孛烈儿军、日耳曼十字军与条顿骑士团3万人准备迎敌。蒙古军避其锋芒，侧面袭击将其战败，杀死了享利，继而南下攻入莫剌维亚，前往马札儿与拔都会合。
拔都率军分三路侵入马札儿。同年三月，进至其都城佩斯（今布达佩斯）城附近，马札儿兵战败，蒙古军拔克佩斯城，尽杀其居民，烧毁城市。直到第二年窝阔台死讯传来，拔都率军东还。