建号称汗
宋开禧二年（1206年，金泰和六年）春，蒙古贵族们在斡难河（今鄂嫩河）源头召开大会，诸王和群臣为铁木真上尊号“成吉思汗”（Genghis Khan），正式登基成为大蒙古国皇帝（蒙古帝国大汗），这是蒙古帝国的开始。
但晚清以前，元、明及清中前期的汉文史集中，并无上尊号”成吉思汗“的记载，《元史·太祖本纪》记载诸王群臣为上尊号“成吉思皇帝”。南宋学者彭大雅作为出使蒙古联络夹击金朝的使臣，编写的《黑鞑事略》记载也记载为成吉思皇帝（“其主初僣皇帝号者，小名曰忒没真，僣号曰成吉思皇帝”）。
元代李志常《长春真人西游记·卷上》也记载为“诏曰成吉思皇帝敕眞人邱师”。1998年发现的元代银质鎏金文“盐山圣旨牌”亦书曰“天赐，成吉思皇帝圣旨，疾”。西方的史集中则记载为成吉思汗，并传入中国，导致自晚清时期的汉文史集中（如《海国图志》、《蒙兀儿史记》、《蒙古纪事本末》，《新元史》等）出现两者并用或者独用成吉思汗的记载。
铁木真登基后，实行千户制，建立护卫军；颁布了《成吉思汗法典》（鲍培转写：Yehe Zasag，即《大扎撒》），这是世界上第一套应用范围最广泛的成文法典，建立了一套以贵族民主为基础的蒙古贵族共和政体制度。
对外扩张
铁木真立国后，开始对外发动大规模征服战争，其征战的足迹自东亚的金朝、西夏外，西达中亚、东欧的黑海海滨。
歼灭西夏
自宋开禧元年（1205年，金泰和五年）起，铁木真三次进攻西夏，屡创西夏军主力，并使夏襄宗李安全求和，附蒙攻金。使得蒙古得以顺利攻金。嘉定十七年（1224年，金正大元年），铁木真又发兵攻夏，并攻占银州（今陕西米脂西）。
宝庆二年（1226年，金正大三年），蒙古发动大规模的灭夏之战，先后攻占沙州（今甘肃敦煌西）、肃州（今甘肃酒泉）、甘州（今甘肃张掖）、西凉府（今甘肃武威）、灵州（今宁夏灵武西南）等地，进围西夏都城中兴府（今宁夏银川）。次年七月，夏末帝李晛投降被杀，西夏亡。
攻破金国
宋嘉定四年（1211年，金大安三年），铁木真亲率大军伐金。首战乌沙堡（今河北张北西北）获捷；再战野狐岭（今河北万全西北）、会河堡（今怀安东南），歼灭金军大量精锐；又战怀来（今属河北）、缙山（今北京延庆），大败金军十余万；重创金军于东京（今辽宁辽阳）、西京（今山西大同）、居庸关等地。后不断改变战法，分兵三路攻掠中原腹地及辽西地区。
嘉定七年（1214年，金贞祐二年）三月，集兵大都（今北京）城下。料一时难以克城，遂遣使逼和，迫金朝奉献岐国公主、金帛和马匹，引兵退出居庸关。六月，以金朝迁都南京（今河南开封）而“违约”为藉口，派兵进攻中都，以围城打援和招降之策，于次年五月克城。
为适应攻城需要，铁木真采纳部将建策，逐步建立炮军，攻城以炮石为先。后来攻城作战，一次用炮即达数百座，迅即破城。同时，为吸取各民族的先进技术四处掠夺工匠艺人，一城即掠数万。随后建工匠军，设厂冶铁制造兵器。在通信联络上创建“箭速传骑”，日速数百里，军令传递和军队调遣速度增快。善于发挥骑兵之长，有“蒙古旋风”之称。
嘉定十年（1217年，金兴定元年），铁木真封木华黎为太师、国王，指挥攻金战争，自率主力返回蒙古，准备西征。
西征花剌子模
宋嘉定十一年（1218年，金兴定二年），铁木真遣先锋将领哲别灭西辽屈出律势力，扫清西征障碍。
嘉定十二年（1219年，金兴定三年），花剌子模讹答剌城的海儿汗亦纳勒术杀死了蒙古的499名和平商人，其国王摩诃末又武断地杀死了成吉思汗派去交涉的正使。以此为由，以军事扩张和掳掠财物为目的，亲率大军约20万分路西征。
数年间先后攻破讹答剌（在今锡尔河中游）、布哈拉及撒马尔罕等地。遣哲别、速不台率军追击花剌子模国王摩诃末，迫其逃至宽田吉思海（今里海）中小岛，后病死。再命哲别、速不台继续西进，远抵克里米亚半岛；自率一军追击摩诃末之子札兰丁·明布尔努至申河（印度河）。
花剌子模被消灭后，钦察骑兵和罗斯诸公国也一败涂地，古印度河、伏尔加河一带成为激烈争夺的战场。花剌子模的王子札兰丁率领残部进行抵抗，在八鲁弯之战中一举消灭了近3万蒙古兵。但花剌子模大势己去，札兰丁被围困在申河边上，最后突围逃往印度，铁木真班师返漠北。
病重逝世
宋宝庆元年（1225年，金正大二年）秋，经过七年西征的铁木真回到了蒙古草原。因西夏背盟，主将木华黎含恨而死。铁木真不顾六十四岁高龄，坚持亲征西夏。途中围猎受伤，高烧不起，仍不退兵。夏末帝李晛被迫遣使求和。
铁木真病危后，在六盘山休养，留下了三条著名的遗嘱：利用宋金世仇借道宋境，联宋灭金。宝庆三年（金正大四年）七月十二日（1227年8月25日），铁木真在六盘山下清水县（今属甘肃）病逝，时年六十六岁（《蒙兀儿史记》记为七十一）。其子窝阔台和拖雷遵守其遗策，于端平元年（1234年，金天兴三年）的蔡州之战中灭亡金朝。
蒙古至元二年（1265年，宋咸淳元年）十月，元世祖追尊铁木真庙号为太祖。至元三年（1266年，宋咸淳二年）十月，追赠谥号为圣武皇帝。元至大二年（1309年）十二月，元武宗加谥法天启运，庙号太祖。从此之后，铁木真的谥号为法天启运圣武皇帝。
