Родился в1185. Второй сын Чингисхана и его старшей жены Бортэ. Ещё при жизни своего отца он слыл лучшим знатоком Ясы и высшим авторитетом во всех вопросах, связанных с законами и обычаями.

Как и его братья, Чагатай принимал участие в походах своего отца против чурчженьской империи Цзинь (1211-1215) и против Хорезма (1219-1224). Столица хорезмшаха, Гургандж (ныне Кёнеургенч) был осаждён тремя царевичами — Джучи, Чагатаем и Угэдэем — и взят весной 1221. В том же году под Бамианом пал старший сын Чагатая Мутугэн.

После битвы на Инде 24.11.1221 Чагатаю было поручено преследование хорезмшаха Джелал ад-Дина, сына Мухаммед-шаха, вследствие чего зиму 1221/1222 он провёл в Индии.

Когда Чингисхан предпринял свой последний поход против тангутской империи Си-Ся (1225-1227), Чагатай остался в Монголии в качестве начальника оставленных там войск. После смерти своего отца Чагатай больше не участвовал походах. Как старший сын умершего властителя (его брат Джучи умер ещё раньше отца) он пользовался большим авторитетом. В 1229 он вместе со своим дядей Тэмугэ-отчигином стоял во главе царевичей, провозгласивших каганом Монгольской империи Угэдэя, которого Чингисхан избрал своим наследником.

В качестве знатока и хранителя закона он во всей империи обладал такой властью, которой должен был подчиняться даже сам великий хан Угэдэй. В эти годы он, по-видимому, находился то в Монголии при дворе своего брата, то в назначенном ему ещё Чингисханом уделе, где у него была собственная ставка.

Как у всех монгольских государей, у Чагатая были особые ставки (орду) для зимы и для лета. Его зимней резиденцией была Мераузик-Ила, летней — Куяш; обе они находились в долине реки Или.

Чагатай получил от своего отца в удел все земли от страны уйгуров на востоке до Бухары и Самарканда на западе. Однако не следует представлять себе эти земли как единое государство, управляемое из долины Или, а лишь косвенно подчиненное великому хану, находившемуся в Монголии. Повсюду, даже в самой долине Или, остались существовавшие до монголов местные династии. Об отношениях этих династий к монгольским государям ничего точно неизвестно. Во всяком случае, области Средней Азии управлялись не от имени Чагатая, а от имени великого хана.

Правителем Мавераннахра в то время был назначенный великим ханом Махмуд Ялавач, хорезмиец по происхождению, резиденция которого была в Ходженде. Даже начальники монгольских войск в Мавераннахре назначались великим ханом. Когда вскоре после того Чагатай самовольно сместил наместника Махмуда Ялавача, он был за это призван к ответу своим братом и должен был признать незаконность своего образа действий. Угэдэй удовлетворился этим и передал страну своему брату в качестве удела (инджу); однако тем самым государственно-правовое положение страны не изменилось.

В последние годы царствования Угэдэя, как и позднее, при Мункэ, все области от китайской границы до Бухары управлялись от имени великого хана Мас’уд-беком, сыном Махмуда Ялавача.

По отношению к исламу Чагатай был настроен неблагосклонно. К нарушениям монгольского закона, которые преследовались им с неумолимой жестокостью, относилось и исполнение некоторых предписаний ислама. У монголов было запрещено при убиении животных перерезать им горло, как предписывалось шариатом; столь же часто мусульмане нарушали при своих омовениях запрещение вступать в текущую воду. Жестокость, с которой такие проступки карались Чагатаем, сделала его имя ненавистным всем мусульманам.

Чагатай лишь на несколько месяцев пережил своего брата Угэдэя, умершего 11.12.1241; его смерть, следовательно, приходится на 1242 год. Его врачи, министр китайского происхождения и мусульманский придворный врач Меджд ад-Дин, были казнены за то, что им не удалось сохранить жизнь своего государя.

После смерти Чагатая правителем его улуса (1242-1247, 1251-1252) стал Хара-Хулагу (Кара-Хулагу) сын Мутугэна, внук Чагатая, правнук Чингисхана.

Из всех сыновей Чингисхана Чагатай был единственным, имя которого перешло к его династии и основанному этой династией государству. В XIV веке группу племён, известных как джалаиры, барласы, каучины, арлаты, кунграты, мангыты и др., расселившуюся главным образом, на территории Улуса Чагатая называли "чагатаями". Это были кочевники-скотоводы, среди которых ещё сильны были патриархально-родовые отношения. Постепенно они воспринимали хозяйственно-культурные традиции осёдлого населения. Основная масса вновь пришедших племён достаточно быстро восприняла диалект осёдлой части тюркоязычного населения.

В XV веке термин "чагатаи" приобрёл более широкий смысл. Он начал применяться не только по отношению к племенам, пришедшим в период монгольского завоевания; так стали именовать всё тюркское население Мавераннахра, включая и ранее пришедшие племена (например, карлуков). То же имя носит до сих пор восточнотюркский литературный язык, сложившийся лишь при Тимуридах — потомках Тамерлана.