1219年秋，成吉思汗组织蒙古大军第一次西征，惩罚花剌子模国国王沙赫默罕默德残杀蒙古商队的卑劣行为。蒙古大军进抵细浑河(现锡尔河)，末遇抗拒，遂围攻讹答剌城(现哈萨克斯坦奇姆肯特)。成吉思汗分四路大军攻取沿河岸各城堡。命令察合台、窝阔台两兄弟为第一路军留攻讹答剌城。该城位于细浑河滨，扼守东西方交通要道，是西域重镇，分内城和外城，守备完善，粮草充足，守兵3万，其中有1万精锐骑兵。这是一场十分棘手的战斗，察合台、窝阔台两兄弟在指挥上密切配合，组织蒙古军连续攻城5个月有余，严重挫伤了守军的锐气。最后守军意志消沉，陷于绝境。守军两位将领哈剌察汗和海儿汗意见分歧。哈剌察汗主张投降蒙古军并交出城郭，而海儿汗是杀害蒙古商队的元凶，扬言死守到底。哈剌察汗便在夜里率部突围，被蒙古军掳获。蒙古军查明城内虚实后，攻占了外城。海儿汗率兵退守内堡，困守1个月，守兵大部分战死，蒙古军从而攻占了内城，蒙古军取得了讹答剌城战役的胜利。察合台、窝阔台又率军攻取费捏克和突厥斯坦各城市，接着赴撒麻耳干与主力会师。1220年秋，成吉思汗派3个儿子术赤、察合台、窝阔台率l0余万兵力，攻取玉龙杰赤城(位于土库曼斯坦的西北部、阿姆河的南面，是花剌子模王国的都城)。该城跨阿母河两岸，用桥连接两岸城堡。蒙古军抵达城下，派人劝降，遭到守城军的拒绝，遂组织攻城。蒙古军首先派3000兵力，攻夺阿母河大桥，守军顽强抵抗，蒙古军全部战死。这时执掌攻城大权的两位将领术赤、察合台二人意见分歧，互相埋怨严重失和，由于伤亡惨重，玉龙杰赤城攻取6个月而不克。成吉思汗接到报告后很生气，改派窝阔台为帅执掌三军。窝阔台首先极力和解两位兄长，并整顿军纪，军威大振，窝阔台组织全军奋力攻城，激战7昼夜，全歼守军，夺取了花剌子模王国的都城玉龙杰赤城。1222年秋天，成吉思汗与3个儿子察合台、窝阔台、拖雷率领大军追击沙赫默罕默德的儿子札兰丁，札兰丁并非等闲之辈，该人有勇有谋，组织花剌子模残军负隅顽抗，但是最终在中河(今印度河)旁，蒙古军一举击溃了礼兰丁军队，取得了蒙古第一次西征的彻底胜利。
1226年，成吉思汗率军出征西夏。察合台受命留守蒙古大斡耳朵。1227年8月，成吉思汗逝世，灵柩运到斡耳朵，发布讣告，诸宗王、公主、将领等共同举行了举国哀悼的丧葬仪式后，他们各自奔赴自己的领地。
察合台按照其父亲成吉思汗的遗诏，为窝阔台登上大汗之位，尽了最大的努力。他与兄弟拖雷及其他黄金家族的亲属们一起，举行了三跪九叩的君臣之礼。察合台虽是兄长，但对窝阔台汗十分尊敬，并极其遵守君臣之礼，维护了大汗的尊严。有一次，窝阔台、察合台两兄弟用膳后缓步骑马，察合台乘着醉意要求与其弟赛马以赌输赢，结果察合台的马赢得了比赛。酒醒后察合台醒悟此事不妥，急忙于天亮之前亲率部下到窝阔台汗帐前，以违犯君臣之礼而请求处罚。窝阔台汗一再明言不咎其罪，但经不住察合台一再要求，最后以罚没察合台9匹骏马而了结此事。可见兄弟之间和谐一致、亲密无间。察合台自受封于中亚后、除因要事返回蒙古汗廷外，其大部分时间都是在西域封地度过的。窝阔台汗也极其尊重察合台，汗国的一切重大事件，都先遗使咨商，征得同意而后行。察合台那里发生的一切情况和每一事件都向大汗报告。遇有重大事情，就去大汗处出席忽里勒台。
