トメトを避けて大興安嶺山脈の東に移住したチャハルでは、1603年にリンダン・ハーンが即位した。リンダンはモンゴルの再統一を目指したが、東の女直（満州民族）の統一を進めるヌルハチが立てた後金に次第に圧迫され、チャハルの周囲にいたモンゴル東部の諸部族は後金に降伏していった。1628年、リンダン・ハーンは後金に近い内モンゴル東部の支配に見切りをつけて西方への移動を開始し、内紛で弱体化していたトメトのアルタン・ハーン家を滅ぼしてフフホトを占領した。さらにリンダン・ハーンは外モンゴルのハルハ部を服属させ、100年ぶりにモンゴルの中西部のほとんどをチャハル部の支配下に置くことに成功するが、自身の帰依するカルマ派を支援するためチベットへの遠征に向かう途上の1634年に甘粛で死去した。リンダン・ハーンの死によってチャハル部の覇権は瓦解し、満洲人（女真人）による後金軍がフフホトを占領した。1635年、リンダン・ハーンの遺児エジェイは後金に降伏し、元の玉璽（皇帝の印章）を後金のホンタイジに献上した。チャハルの降伏により、ダヤン・ハーンの再編したモンゴル部族連合のうち、漠北のハルハ諸部を除く全てが後金の支配下に入った。1636年、ホンタイジは満州、漢、モンゴルの3民族の推戴を受ける形式を取って大清皇帝に即位し、この年以降、満州人である清の皇帝がモンゴルのハーンとして君臨することになった。一方、清の支配下には入っていないハルハ諸部とオイラトは、この事態を受けて積年の対立に終止符を打って同盟を締結し、1640年には部族間関係の取り決めをまとめたハルハ・オイラト法典を制定した。ハルハ諸部は清朝に対しては朝貢を行い、1655年には有力者8人がその冊封を受けて名目的に臣従することで清朝との間に安定した関係を築き、朝貢国としての内政自治を保持した。しかし17世紀後半に至って、オイラトの覇権を握ったジュンガル部のガルダン・ハーンがハルハに侵攻すると、ハルハはジュンガルの圧迫を避けて清に服属した。これにより、かつての元（北元）の故地のモンゴルは全て清の支配下に入った。
1368年初頭に南京で明を建国した朱元璋は、皇帝に即位するとすぐに徐達を司令官として、既に中国の支配をほとんど喪失していた元に対する北伐軍を派遣した。元のトゴン・テムルは大都からモンゴル高原にある夏の都上都へと逃れたが、翌1369年には常遇春に敗れてさらに応昌府へ逃れた。トゴン・テムル・ハーン（廟号は恵宗）が1370年に死去すると、明はトゴン・テムルに「天意に順じ明に帝位を譲った」という意味の順帝という諡号を贈り、トゴン・テムルに代わってハーンに即位したアユルシリダラ（昭宗）を「故元太子」と呼んで元の皇帝と認めなかった。しかし明の主張の一方で、元（北元）は依然としてモンゴル高原の遊牧勢力の君主として強大な軍事力を持っており、1372年には明がモンゴル高原に送った北伐軍を撃退した。この時点で元（北元）の勢力は中国の北方から甘粛、雲南まで維持しており、江南と華北をようやく制覇したに過ぎない明を取り囲むようにして南北に対峙していた。特に東北地方（満州）には数十万の大軍を擁する元（北元）の大尉であるジャライル部のナガチュの勢力が健在であり、明や高麗は北辺をナガチュの大軍にしばしば脅かされた。高麗はナガチュの軍事的脅威を受け、明と通好する一方で元（北元）とも通好していたが、1362年にナガチュが高麗を攻め込むと、李成桂の率いる高麗軍により撃退され、その後は和親状態となる。1378年にアユルシリダラが死去して天元帝トクズ・テムルが即位する頃から元（北元）は衰えを見せ、明が満州を制圧してモンゴル高原東部に勢力を伸ばすことを許した。1387年、元（北元）のナガチュは明軍の大攻勢を受けてついに明に降り、ナガチュ救援のために高原東部のホロンボイル地方に進出していたトグス・テムル・ハーンも、翌年初頭に明の将軍藍玉の奇襲を受けて敗れた。トグス・テムルは敗走の途上で、クビライとハーン位を争って敗れたアリクブケの子孫にあたるイェスデルの手によって殺害され、クビライの皇統は断絶する。
自然現象は、時間の経過に従ってその状態を変える。ニュートン力学では、そのような自然現象の変化の法則、すなわち物体の運動の法則を発見し、将来の状態を予測する方法を確立させていった。このニュートン力学に代表されるように、ある状態の次の状態が確定した法則に従って一意に決まるという考え方は、決定論という呼び方で知られている。量子力学の登場によりミクロのスケールでは運動の状態は確率的に決定されることが明らかとなったが、日常的に目にするようなマクロのスケールでは、多くの現象がニュートン力学に従っている。このような決定論的・ニュートン力学的法則に基づく物理法則から将来の状態を予測するには、その系の初期状態（初期値）が先ず必要となる。思考実験の1つであるラプラスの悪魔は、完全無欠な初期状態を得て、そこから過去と未来の全ての正確な状態を予測するが、現実には完全に正確な初期状態を知ることはできない。そのような場合においても、自然科学の研究では、真の初期状態との違いがわずかであれば最終状態においてもわずかな違いしか生まれないだろうと、しばし仮定されてきた。しかしカオス理論の発見により、決定論的・ニュートン力学的法則に従うような系でも確率論的にランダムかのような振る舞いを起こし、なおかつ、初期値のわずかな差が将来の状態に無視できない大きな差を発生させる現象があることが明らかになった。ニュートン力学のように、時間経過とともにその状態が変化し、その変化の法則が決定論のような一定法則で与えられ、初期状態が決まればその後の状態も一意に決定されるようなシステム、あるいは、そのようなシステムを扱う数学分野を力学系と呼ぶ。カオス理論は数学的には力学系の一分野である。カオス理論では、ある非線形性を持つ力学系において、初期状態に存在する差が時間経過に従って平均的な指数関数的増加を起こし、無視できないほど大きな差を生むとき、その系は初期値鋭敏性を有するという。バタフライ効果とは、このカオス理論における初期値鋭敏性の寓意的な言い換えである。初期値鋭敏性は、カオス理論でカオスと呼ばれる現象の特徴、あるいは定義の一部である。大気運動などは非線形な力学系方程式に従い、なおかつ初期値鋭敏性を有すると考えられている。初期値鋭敏性すなわちバタフライ効果を有するかは、リアプノフ指数が正の値を取るかなどで定量評価される。実在する自然現象に対して力学系の計算モデルを構築して将来の状態を予測するには初期値をモデルに与える必要がある。しかし、実際の予測では予測対象物の観測によって初期値を得るが、この際の観測誤差を無くすことはできない。一方、予測のための計算モデルが初期値鋭敏性を有する場合、初期値のどんなに小さな差も指数関数的に増大し得る。したがって、計算モデルから将来の状態を予測しようとしても、短期間の内ならばある程度の精度で予測可能でも長期間後の状態の予測は近似的にも不可能となる。このような性質は長期予測不能性 や予測不可能性 などとも呼ばれる。このような初期値鋭敏性の帰結である長期予測不能性の存在も、バタフライ効果が意味するものである。