1225年被元太祖成吉思汗封于也儿的石河（今额尔齐斯河）上游和巴尔喀什湖以东一带，建斡尔朵于也迷里城（今新疆额敏县）。
1229年9月13日（农历1229年八月二十四日），在拖雷、察合台，铁木格斡赤斤等宗王的拥戴下登基即位。
1230年，亲伐金朝。1231年召开官山会议（今内蒙古九十九泉），决定兵分三路进攻金。三年内占领陕西南部、河南北部以及淮西一带。1234年联合南宋攻蔡州，1234年2月9日，金哀宗自缢，金朝灭亡。但与此同时，由于与南宋接壤，双方的冲突日渐加剧，也拉开了双方往后45年不断争战的序幕。在南方战线僵持不下之时，蒙古大军的铁蹄转往东方的高丽，并使他们臣服，西线方面，蒙古大军完全控制了波斯，并继续西进，占领了除诺夫哥罗德以外罗斯诸国的全部，以及波兰和匈牙利的全境。
1241年12月11日（农历1241年十一月初八），窝阔台因为酗酒而突然暴毙，使他的西征进程被迫中止。当时大军正朝往维也纳推进，但为了赶返参加位于蒙古的库里尔台大会而急忙撤军，自此以後，蒙古大军再也没有踏足这片土地。
窝阔台去世后五年，一直都由他的皇后乃马真专政，直到1246年8月24日窝阔台的儿子贵由继任为止。
在位期间，制定蒙古地区值百抽一的赋税制，无水处挖井，迁牧民居住。设驿站，制定乌拉制（驿站服役），加强了蒙古本土与占领地区之间的联系。1235年筑蒙古首都哈剌和林城，建万安宫。
制定中原和西域的赋税制度，令耶律楚材主持中原赋调，麻合没的滑剌西迷主持西域赋调。为了加强对中原地区的统治，立中书省，以耶律楚材为中书令，粘合重山为左丞相，镇海为右丞相。置十路征收课税使。始行交钞。立燕京编修所和平阳经籍所。
封孔子五十一世孙孔元措为衍圣公，修孔庙，试诸路儒士，中选者除任本地议事官外，还得四千零三十人，免除他们的赋税。为加强蒙古统治阶级的统治权，任命失吉忽秃忽为中州断事官，设治燕京（今北京），主治汉民。1238年，将中原课税以二百二十万两卖给回回商人奥都剌合蛮，并命他为提领诸路课税所官，加重了中原人民的负担。1240年命张柔伐宋。
