元代的宗藩国是指钦察汗国、察合台汗国、窝阔台汗国、伊儿汗国，也称四大汗国。这四个汗国是成吉思汗把所征服的土地当作“份地”分给长子术赤、次子察合台、三子窝阔台的，后来形成钦察汗国、察合台汗国、窝阔台汗国，伊儿汗国则是成吉思汗第四子拖雷的儿子旭烈兀的封地。钦察汗国辖境为额尔齐斯河以西，咸海、里海以北地区。术赤之子拔都西征后，领土扩大，西至多瑙河，北达斡罗思，南抵高加索，首都是伏尔加河流域的萨莱城（俄罗斯国阿斯特拉罕附近）。其后又分为白帐汗、蓝帐汗以及拔都直接管辖的金帐汗。境内百姓主要是钦察人或斡罗思人。察合台汗国辖境自天山南路直至今阿姆河、锡尔河间广大地区，初建都于阿力麻里（新疆霍城县西北），东部地区居民为畏兀儿人，西部为突厥语系的民族，河中地区的居民使用波斯文。居民信仰伊斯兰教者居多，少部分人信奉佛教与基督教。窝阔台汗国辖境自额尔齐斯河上游至巴尔喀什湖以东，建都叶密立（新疆额敏县）。后来其国被分割，部分并入察合台汗国，部分归属钦察汗国，部分并入元朝。伊儿汗国辖境东起阿姆河，西至地中海，北达高加索，南临印度洋，建都于帖必力思（伊朗大不里士）。居民成分复杂，有讲波斯语者，也有讲阿拉伯语者。大多数人信奉伊斯兰教，一部分人信奉基督教。

元朝中央政府与钦察汗国有频繁的贸易往来，文化上也有交流。由于该汗国的都城萨莱位于元朝与西亚、欧洲的贸易通道上，伊儿汗国、察合台汗国、窝阔台汗国均有驿站与之相通，加上蒙古权贵喜欢经商，因此这里的贸易空前繁荣。欧洲来的商人也多经由萨莱前往中国。中国的丝织品在萨莱到处可见。在别儿哥萨莱（俄国伏尔加格勒附近）出土有汉文题词的青铜镜，可知这些青铜镜是由元朝输入的。最值得一提的是大批钦察人、康里人、斡罗思人、阿速人等民族迁入元朝。这些民族因英勇善战，成为元朝中后期军队的主力。有些人因才干卓异，成为元廷重臣，被天子倚为心腹。如成宗时的宰相不忽木为康里人，名将土土哈、床兀儿父子为钦察人。床兀儿之子燕铁木儿因拥立文宗有功，权势炙手可热。

察合台汗国距元廷最近，元廷与其他汗国和欧洲交往，均须取道于察合台汗国，成吉思汗西征时，便有一批汉人官吏、工匠由此进入河中地区，河中地区的俘虏、工匠等也由此进入中土。由乌古孙仲端口述、刘祁记录而成的《北使记》、耶律楚材撰的《西游录》、刘郁《西使记》、李志常《长春真人西游记》等书，都涉猎到了察合台汗国的风土人情。

在几个汗国中，元廷与伊儿汗国血缘关系最近，因为伊儿汗国的创建者旭烈兀与元朝的天子忽必烈同为拖雷之子，两人又是一母同胞，两国的关系始终密切，双方的文化交流也非常广泛，大量的中、近东文化通过商旅往来及官员的互相访问而传到中国来。如耶律楚材所撰《西征庚午元历》就是参考了一些回历制成的：“耶律文正王于星历、医卜、杂算、内算、音律、儒释、异国之书，无不通究。尝言西域历五星密于中国，乃作《麻答把历》，盖回鹘历名也。”[65]世祖至元年间，西域天文学家札马鲁丁应召来到元朝，将他撰的《万年历》献上，忽必烈下令颁行。札马鲁丁还制有观测天文的仪器“西域仪象”，有浑仪、天顶距仪等7种。《元史·天文志》记载了这7种仪器的波斯语名称、形制与用法，如汉语的浑天仪，西域名为“咱秃哈剌吉”；汉语的测验周天星曜之器，也即方位仪，西域名为“咱秃朔八台”；汉语的春秋分晷影堂，也即斜纬仪，西域名为“鲁哈麻亦渺凹只”，如此等等。元朝政府还为此而设立了回回司天台，由札马鲁丁负责。后来回回司天台归属秘书监管理，札马鲁丁任司天台提点兼知秘书监事。秘书监庋藏的回回书籍中，有不少用波斯文、阿拉伯文写成的天文著作，如“麦者司的造司天仪式十五部”，系埃及天文学家托勒密撰写；“积尺诸家历四十八部”的“积尺”是阿拉伯文天文历法的音译。忽必烈当政年间，大批西域人进入内地，他们仍保持原有信仰，很需要回回历日，可能是印制出售过滥，元政府下令“禁私鬻回回历”。伊儿汗国也从中国学习天文历法知识。旭烈兀西征时曾带去一个叫屠密迟（译音）的天文历数学者，当时被称为“先生”。伊朗天文学家纳速剌丁途昔奉命编纂《伊儿汗天文表》时，就向屠密迟学习天文推步之术。

中国的火药在当时的世界上堪称独步，旭烈兀西征时，在攻打木剌夷（中亚里海南岸地区）诸城堡、报达城（伊位克巴格达）以及叙利亚各地时，其杀伤力之大，使对方无法招架，往往败北。蒙古人的入侵给中亚各国人民带来了极大灾难，但是火药武器的制造技术却传入了波斯及阿拉伯国家，并由这里传入欧洲。

元廷与伊儿汗国的医学交流也很广泛。旭烈兀身边就有中国医生，中国医学在元代传入了伊朗等地，受到了当地人的欢迎，有不少人学习中国医术。《史集》的作者、波斯人拉施特原是一个医学家，他主编的《伊儿汗的中国科学宝藏》一书，是一部关于中国医学的百科全书，如今传世的是土耳其医学家用土文翻译的。来中国侨居或在宫廷任职的波斯、阿拉伯医生也不少，元代文献中称之为“回回人”“西域人”或“大食人”。元朝在中央太医院下设有广惠司，掌管研制御用回回药物及和剂，治疗诸宿卫士及在京孤寒者，官阶为正三品。大都、上都均设有回回药物院，掌管有关回回的药物。信奉景教的西域人爱薛，在定宗贵由时来到和林，在拖雷孀妻唆鲁禾帖尼身边充当近侍。他“于西域诸国语、星历、医药，无不研习”。忽必烈当时还是藩王，也很赏识他，将他带往开平。即位后，命爱薛掌管西域星历、医药，后来改为广惠司，仍以爱薛管领。在广惠司任职的均是回回医生，诊病和用药都是按回回医法进行的。回回医生医术高明，深受汉族百姓欢迎，民间也有不少回回医生，王沂《伊滨集·老胡卖药歌》，记载了一位回回老医生：“西域贾胡年八十，一生技能人不及。神农百草旧知名，久客江南是乡邑。朝来街北暮街东，闻掷铜铃竞来集……金丝膏药熬较好，伤折近人人苦多。川船南通有新药，海上奇方效如昨。”西域所产药草疗效亦好：“火失剌把都者，回回田地所产药也。其形如木鳖子而小，可治一百二十种症。每证有汤引。”[66]这一则记载见于陶宗仪的《南村辍耕录》。该书还记载了几则回回医生医药高明的例子。大都一家小儿“患头疼，不可忍，有回回医官，用刀划开额上，取一小蟹，坚硬如石，尚能活动，顷焉方死，疼亦遄止”[67]。平江（江苏苏州）阊门有一旅客，所骑之马腹膨胀倒地，“店中偶有老回回见之，于左腿内割取小块出，不知何物也，其马随起，即骑而去”[68]。顺帝长公主驸马刚哈剌咱庆王，因坠马而得一奇疾，两眼失去黑眼珠，舌头伸至胸前，群医束手。广惠司长官聂只儿，是一个也里可温（元代对基督教徒和教士的通称），认识此症，将长舌剪去，顷刻间又生一舌，也被剪去，“又于真舌两侧各去一指许，却涂以药而愈”[69]。类似例子还有不少。广惠司曾组织人翻译过《回回药方》，有些被吸收入明朝人李时珍的《本草纲目》中。北京图书馆收藏的残本《回回药方》，为明刻本，是元代译成汉文的阿拉伯医学著作。有人考证，这本书就是阿拉伯医学家拜塔尔的《简救法》。《饮膳正要》一书是回回人忽思慧所著，这本专为皇家编著的食谱中，记有不少回回食物的烹调方法和营养价值，以及回回药物与方剂等。

拉施特的《史集》是一部世界名著，是人们研究蒙古史和元史的必备之书。为作者提供最大帮助的是孛罗。孛罗为蒙古朵儿边氏人，在元朝任过御史中丞、大司农卿、御史大夫、枢密副使等要职。至元二十年（1283年），他以丞相衔出使伊儿汗国，爱薛为副使。他们在伊朗觐见了阿鲁浑汗，孛罗留仕伊儿汗廷，爱薛则返回元朝。孛罗知识渊博，熟悉蒙古历史及元朝典章制度，由他口述，拉施特记录而成的《史集》，具有极高的学术价值。孛罗还把元朝的钞法详尽地介绍到伊儿汗国。当时伊儿汗国的君主奢侈无度，弄得财政拮据，国库空虚，便采用孛罗的建议，在全国发行纸币，并在各地设立钞库，负责发行新钞，倒换昏钞。钞上印有八个汉字，中间印有钞值。中国的雕版印刷技术从此传入波斯和阿拉伯。

牌符制度也是由元朝传入伊儿汗国的。作为权力的凭证和身份的标志，汗国的牌符分为几种，“诸算端（诸侯）、统将、蔑力克（州的长官）佩圆形大虎符，地位较低的牌面略小些。使者驰驿，则给以圆牌，上著‘官牌’字样，使命完成时即将牌子交还。各边区长官需遣使乘急递铺马递送紧急军情者，也发给五至三面圆牌”[70]。

元朝各宗藩国虽是独立的，但在名义上还是元朝皇帝的属国。至元年间忽必烈命秘书监修《大元一统志》时，让各行省进呈本省地图与图说，宗藩国可能也不例外。今存残本《大元一统志》虽未发现藩国部分，但元文宗时修成的《经世大典》地图，却标有伊儿汗国主要城市、地区的名称及位置。大食学者赡思自著有《西国图经》一书，并参与过《经世大典》的修纂工作，他把波斯、阿拉伯的地理知识介绍到中国来，为元朝与伊儿汗国的文化交流做出了贡献。