喀喇汗朝在公元12世纪20年代，被契丹皇族耶律大石吞并。    契丹族建立的辽朝在公元1125年被金朝灭亡。皇族耶律大石率少部分人逃出，在漠北的可敦城(今蒙古共和国土拉河西岸)站稳了脚跟。在此地，耶律大石召集武威等七州和蒙古、东北等18部首领，筹集了大量的军备物资，壮大了人马，遂决定向西发展。
　　公元1130年2月的一天，耶律大石按契丹族的传统，杀青牛白马祭告天地、祖宗后，率部西行。先进军谦河(前苏联叶尼塞河上游)地区的吉利吉思国，然后向西越过金山(阿尔泰山)，进入了翼只水(额尔齐斯河)和也建里河(今额敏河)地区，在叶密立(新疆自治区额敏县)修筑城池，建立根据地。这里水草丰美，气候凉爽，但地狭局促，不宜于扩展。
　　耶律大石决定继续向西，其计划是通过回鹘王国，去占据喀什噶尔的喀喇汗王朝。他派人给回鹘国王送去一封书信，表示借路而过，西至大食。在回鹘王收到信的同时，耶律大石的军队已兵临城下，回鹘王将耶律大石迎进城去，大宴数日，临行之时，又送大量的驼马羊只，愿为附庸国。但耶律大石的此次西进行动却被喀什噶尔的喀喇汗朝军队打败。退兵至回鹘王国时，却遭到回鹘王的掩杀，又损失了不少军队。
　　耶律大石只得率军又返回叶密立。耶律大石在那里休养生息，得到了当地突厥各部的拥护，户数增扩至4万户。几年后，耶律大石在叶密立登基称帝，号称菊儿汗，意为“大汗”或“汗中之汗”，群臣又上汉尊号“天佑皇帝”，建元“延庆”，史称西辽，穆斯林和西方史籍又称之为“哈喇契丹”。
　　耶律大石在叶密立巩固地位之后，两次率军南下，高昌回鹘投降了西辽，成了一个附庸国。耶律大石随后陈兵喀喇汗朝边境。此时在巴拉沙衮东喀喇汗朝的大汗是伊卜拉欣，此人无能而软弱，竟派使者去邀请耶律大石到他的都城巴拉沙衮，让王位给耶律大石。耶律大石将易卜拉欣降封为“土库曼王”，将东喀喇汗国作为西辽的附庸国。巴拉沙衮宜于农耕，土地肥沃，广袤千里。于是耶律大石决定定都于巴拉沙衮，又称虎思斡耳朵。
　　西喀喇汗王朝的首都在萨末鞋(今中亚的撤马尔罕)，此时的西喀喇汗朝已成为首都在呼罗珊(阿富汗西北部)的塞尔柱帝国的附庸。1137年，西辽军队在占领了费尔干谷地之后，与西喀喇汗王朝的大汗马合木交战，结果马合木的军队被击溃，随即向塞尔柱的苏丹桑贾尔求援。苏丹桑贾尔率领周围穆斯林国家的军队10万骑渡过了阿姆河，开进了河中地，于是在萨末鞋以北的卡特石展开了中亚史上的一次著名战役。
　　耶律大石认为彼军虽多而无谋，采用分而击之的办法，将自己的军队分为左中右三部分，分别攻击苏丹桑贾尔的联军。会战在伊斯兰历五三六年萨法尔月九日(1141年9月9日)打响。西辽军越战越猛，加之有苏逻禄人的协助，大获全胜。苏丹桑贾尔携带阿合木狂奔过阿姆河，进入呼罗珊，但他的妻子及左右两翼的指挥官均被俘获，桑贾尔军队伤亡惨重。耶律大石进入了萨末鞋，册封阿合木的弟弟伊拉欣为桃花石汗，西喀喇汗国也归附了西辽。
　　占领河中地区之后，耶律大石派大将攻打花刺子模国。花刺子模位于阿姆河下游和咸海南岸，塞尔柱王朝兴起后曾一度臣服于它，后又摆脱了塞尔柱的控制。1141年，耶律大石的军队进入花刺子模之后，迫使花刺子模沙(即国王)投降，每年向耶律大石纳贡金银物品。
　　至此，东起土拉河(在蒙古共和国境内)，西包括咸海，北越巴尔喀什湖，南到阿姆河、兴都库什山和昆仑山，都成了西辽帝国的疆境。
　　耶律大石于1143年去世。西辽在中亚(包括新疆)的统治一直持续了90余年，直至蒙古大军的到来。