Как и его братья, Чагатай принимал участие в походах своего отца против империи Цзинь (1211—1215) и против Хорезма (1219—1224). Столица хорезмшаха, Гургандж (ныне Кёнеургенч), была осаждена тремя царевичами — Джучи, Чагатаем и Угэдэем — и взята в сафаре 618 года хиджры (27 марта—24 апреля 1221 года). В том же году под Бамианом погиб старший сын Чагатая Мутугэн. После битвы на Инде (согласно Нисави, в среду 9 шавваля 618 г. х., вероятно, 24 ноября 1221 г.) Чагатаю было поручено преследование хорезмшаха Джелал ад-Дина, вследствие чего зиму 1221/1222 гг. он провёл в Индии. Когда Чингис-хан предпринял свой последний поход (против тангутов, 1225—1227), Чагатай остался в Монголии в качестве начальника оставленных там войск. После смерти отца Чагатай больше не участвовал в походах. Как старший сын умершего властителя (его брат Джучи умер ещё раньше отца) он пользовался большим авторитетом. В 1229 году он вместе со своим дядей Тэмугэ-отчигином стоял во главе царевичей, провозгласивших государем Угэдэя, которого Чингис-хан 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 Чагатай, по-видимому, находился то в Монголии при дворе своего брата, то в назначенном ему ещё Чингис-ханом уделе, где у него была собственная ставка.