与此同时，北辽灭完后，
北辽大将耶律大石率军西行，
公元1124年，率军西行的耶律大石，到达可敦城（今蒙古国布尔干省青托罗盖古回鹘城）建立根据地，
公元1132年，耶律大石在叶密立城登基称帝，号“菊儿汗”，群臣又尊汉号为“天佑皇帝”，建元延庆，西辽正式建立。
而此时，经过多年的政治演变，
喀喇汗王朝汗桃花石族的两大系已完全形成，
即长支阿里系和幼支哈桑系。
起初，王朝的统治权控制在阿里系手中，但玉素甫卡迪尔汗占领喀什噶尔后，王朝的统治权转到哈桑系手中。
公元1041年，伊卜拉欣用武力夺取布哈拉后，阿里系控制了河中地区，而哈桑系只控制王朝东部。
伊卜拉欣自称桃花石·博格拉·喀喇汗，完全独立自主，不承认东部喀喇汗为宗主。
于是在中亚地区形成了完全平行的两个独立王朝——东部喀喇汗王朝和西部喀喇汗王朝。
大约自1041年起，喀喇汗王朝正式分裂为二，
西汗为阿里后裔，通称阿里系，领有河中地区及费尔干纳西部，以撒马尔罕、布哈拉为都城；
东汗为哈仑·卜格拉汗后裔，通称哈仑或哈散系，领有怛逻斯、白水城、石城、费尔干纳东部、七河流域和喀什噶尔，以八剌沙衮为政治、军事都城，以喀什噶尔为宗教、文化中心。
公元1089年，塞尔柱王朝攻下布哈拉，
西部喀喇汗王朝从此在政治上成为塞尔柱王朝的附庸；
东部喀喇汗王朝在1130年，也曾一度表示臣服于塞尔柱王朝。
1124年，到达西域的耶律大石，曾经带领少量部众逃亡至东喀喇汗汗庭请求避难，
不料此时的东喀喇汗朝自顾不暇，
耶律大石遂联合3万回鹘族人，驻扎叶密立，开始发展自己的势力，
更是在公元1132年，于叶密立城，登基称帝，建立西辽。
公元1134年，东部喀喇汗王朝大可汗伊卜拉欣，同葛逻禄首领和康里首领不和，发生冲突，请求耶律大石出兵支援。
耶律大石趁机发动政变，占领八剌沙衮，作为自己的都城，
至此东部喀喇汗王朝势力大减，辖地只有喀什噶尔、阿克苏与和田地区。
而西部喀喇汗王朝，
从11世纪末、12世纪初起，已受塞尔柱突厥王朝（1038～1194）之挟制，
公元1137年，西辽大军在和毡，击溃西部喀喇汗王朝的军队。
公元1141年，九月九日，
西辽王朝与西亚的塞尔柱王朝，在卡特万草原上进行了历史上着名的“卡特万之会战”。
此战之中，耶律大石协同后辽上将魏振兴指挥东喀喇汗以少胜多，击败塞尔柱王朝，
西亚的塞尔柱王朝，战后势力退出了河中地区，
而西部喀喇汗王朝，则向西辽称臣，
改换宗主后，西部喀喇汗王朝得以用附庸形式保存下来。
卡特万之战击败塞尔柱帝国联军后，西辽称霸中亚，威名远播至欧洲，
附近的高昌回鹘、西喀喇汗国、东喀喇汗国及花剌子模先后臣服于强盛期的西辽。
至此，以耶律大石为首的西辽国，靠政变登上了中亚舞台，控制了整个西域、中亚地区。
西辽，结束了西域、中亚地区纷争扰攘百年的局面，创立了具有中华典章制度特色的大国。
不但制止了落后的游牧部民对城市的侵扰，保障了社会环境的和平安定，轻徭薄赋，发展了生产，循俗施政，取得了伊斯兰各国的尊奉。
这是八世纪唐朝在中亚的军事力量败于大食后，华夏政治势力的回归，是汉文化在伊斯兰世界中成功的渗入。
从西辽时期起，
虽然西辽政权直接占据了八剌沙衮附近，
但西辽国却将东、西喀喇汗与葛逻禄自治区分而治之，仅仅只是派驻不同的监察官进行监督而已，
实际上，东、西喀喇汗与葛逻禄自治区，仍然是半独立的政权，
喀喇汗朝之后，逐渐失去了七河流域与伊犁河流域，
开始由两个相对统一的王朝，演变为多个政权组成的松散联合体。
从12世纪中期开始，喀喇汗朝各地派驻的长官纷纷独立，与西辽分庭抗礼。
12世纪末期，一个名叫斡匝儿的葛逻禄响马，占据了喀喇汗朝的阿力麻里，建立起小汗国，
不久，另一个名为阿尔斯兰的葛逻禄人占据海押立，对抗西辽。
西喀喇汗朝，彻底失去了对伊犁河流域的控制。
而东喀喇汗王朝成为西辽王朝的附庸之后，
王朝的首领伊卜拉欣于公元1158年，被西辽王朝派往河中地区帮助西喀喇汗王朝镇压叛乱的葛逻禄人。
根据史料，东部喀喇汗王朝的首领又恢复了汗的称号。
继伊卜拉欣统治的是其儿子穆罕默德，之后是孙子玉素甫。
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