在使者出发一个月以后，成吉思汗的西征大军就向着中亚一路杀戮而去了，“行宫渐西”，一路打下去，那是渐行渐远,总不能因为等一个人而耽误了军国大事。
丘处机来到燕京以后，听说成吉思汗大军都不知道打到哪去了，考虑到自己虽然修道多年，养生有道，但年纪终究是很高了，于是安排人去找成吉思汗请假，说：“大汗您看我已经这么大岁数了，再跑几千里、几万里去拜见您，固所愿尔，奈何年高，恐怕一路风尘半路上没准就挂了，所以斗胆跟大汗请个假，我就在燕京这恭候您凯旋而回怎么样？”
十月，送信的人回来了，心情有点不太好，显然成吉思汗没给他好脸色看。见了丘处机后宣布了成吉思汗的回复，说：“我们大汗说了，他率领着蒙古铁骑，一路征战几千里，开疆拓土打得正高兴呢，一时半会是不可能回来的，可是又特别想见您，等不到凯旋那一天，所以啊，您就别推辞了，辛苦点，慢慢从后面追他去吧。”
没办法，丘处机只好招呼弟子们开始收拾行装，准备过了年就出发，对了，记得给我的马鞍上多加一层软垫。
1221年二月，已经七十四岁高龄的丘处机终于踏上了西游之路，一群送行的各界男男女女满心关怀：“您老这一去不知道何年何月才能回来啊？”
丘处机一拱手，“三年吧再聚，诸位保重！”不愧是高道，随口一说也能中地，此行往返果然三年。
一路西行先出居庸关，再经过中亚、漠北、回纥等，年底到达了撒马尔干，就是现在的乌兹别克斯坦境内了。弟子赵道坚没能坚持下来，病死在路上了，这就足够证明一路上条件的确是很艰苦了。
这一路可真是不近了，不过还没有见到成吉思汗，那时的蒙古铁骑所向披靡，在前面一路杀过去，你不拼着命的追，还真不容易追上。没办法，打听了一下大军的方向，转而南下，终于在大雪山，差不多就是在阿富汗境内的兴都库什山追上了成吉思汗，此时已经是1222年四月了。
丘处机此次和成吉思汗共举行了三次会谈，据说谈话的内容被成吉思汗视为机密，不让外泄，所以《西游记》中没有此次会面的对话内容，不过耶律楚材的《玄风庆会录》却详细记载了二人的交谈，总体上对丘处机是极为尊重。
现在分析当时的对话，总结起来包括长生之道、帝王之道、一统中原之道三大部分，以及穿插着丘处机向成吉思汗推销全真之道的内容。
丘处机是通过讲天道来劝成吉思汗少造杀孽，并且要清心寡欲、积德行善，这样才有长寿的希望，另外还有重要的一点，就是为成吉思汗指出了中原才是一统万里，成就霸业的必争之地，劝他早作打算，及早经略。当然了，在论道过程中，肯定是极力向成吉思汗推荐全真教，希望他将来能够以行孝怀安来教化天下，总体上还算成功地得到了成吉思汗的认可。
其他的放在一旁，仅就为成吉思汗一统而献计献策这方面，后人对丘处机的评价就褒贬不同，对他的功过是非每个人都可以有不同的观点，这里不予评价，不过从尽快结束战乱，实现统一的角度考虑，投效一个最有实力的势力，辅佐他早日大一统，无论是对于整个民族，还是对于广大百姓来说，这都是最有利的，百姓的观念很朴素，宁为太平犬，不作乱世人，和平最宝贵。
另外，丘处机此行多少改变了成吉思汗原来那种简单粗暴的靠武力说话的风格和动辄屠城的爱好，比如在1223年，成吉思汗东归时就没有在钦察草原大造杀戮，1226年攻略西夏时，还曾经因天象有异而下令止杀，虽然屠城依旧，但那一点点地改变，也意味着成千上万的人活了下来。
为了避免无谓的牺牲，丘处机还派尹志平等弟子以他的名义去劝说那些小的武装势力放弃抵抗蒙古大军，客观上为蒙古人的统一大业提供了帮助，其功过是非不多讲，避免了大量的死伤也是事实，包括他收留大量流民，护佑他们免遭杀戮同样是不可否认的功绩。
不久以后，成吉思汗带领大军东归，丘处机也应邀随行。路上丘处机数次向成吉思汗辞行，都被挽留了下来，直到1223年三月，眼看他态度坚决，成吉思汗才放他和弟子们离开了大军先行东归。路上又走了将近一年，1224年正月才回到燕京，时间恰好是三年。
历史上对于丘处机西行之事褒贬不一，有人拿民族气节来指责丘处机，有人则从丘处机劝诫成吉思汗止杀的义行加以分析。他在西行途中曾寄诗给道友说：
十年兵火万民愁，千万中无一二留。
去岁幸逢慈诏下，今春须合冒寒游。
不辞岭北三千里，仍念山东二百州。
穷急漏诛残喘在，早教性命得消忧。
半路上碰到了窝阔台的医官郑景贤，丘处机赠诗：“我之帝所临河上，欲罢干戈致太平”。这些诗文中都可以窥见丘处机的西行之志。
《元史》中亦对丘处机西行有很高的评价，后来乾隆也曾为此题了一联：
万古长生不用餐霞求秘诀，一言止杀始知济世有奇功。
此次西行，弟子李志常编写了一本《长春真人西游记》，详细记载了西行一路的故事，和吴承恩的《西游记》一起都称为西游记。
所以，丘处机西行，每个人心里都有一个正确的评价。
终于回到了家，丘处机和弟子们都非常激动，是总结和盘点这次西行成果的时候了。
首先，也是最重要的成果是拿回来三道圣旨。第一道是临别时成吉思汗给的，里面明确说明从此以后全真道士就可以过上免税的日子了，而且不用出徭役，这对于吸纳弟子，扩大全真教简直就是最大的利器；第二道圣旨是追加的，着重指出由丘处机掌管天下道门的大事小情，意味着明确了他的道教领袖的地位，对于进一步提升全真教的声望有着莫大的加成作用；第三道圣旨则规定了丘处机可以在成吉思汗的地盘内任意盖宫观，随便度化弟子，只要他那里记录好了，这些都会得到官方的承认。
有了这三道尚方宝剑，丘处机首先对太极宫进行了扩建，1227年时改名为长春宫，成为全真教的十方丛林，这就是今天的北京白云观。接着，长春宫为中心，弟子们被派到四面八方，任务非常简单明确：迅速去各地，只要是发现因战乱而荒废的寺庙、学堂之类的房产，立刻在大门上挂上全真教的牌子，先占上，以后再慢慢收拾，这是扩大全真教的最佳时机。
房子有了，得有人住啊，所以接下来就是扩大队伍，广收弟子了。实际上根本不用印广告、发传单，此次西行回归，丘处机的声望已经达到极致，江湖同道纷纷来投，要求入教的新人更是络绎不绝。
当然了，成吉思汗如此优待全真教，除了看重了全真教对于一统中原的作用以外，还希望丘神仙能为他斋醮祈福，保佑他一统江山、长命百岁呢。所以成吉思汗多次给丘处机送信，让他别忘记多给我祈福，而丘处机也不辞辛苦，亲自出马主持斋醮。
1227年，成吉思汗和丘处机先后过世，蒙古人征伐的脚步并没有停下来，全真教的扩张也在继续。按照丘处机的遗愿，弟子宋道安接班，尹志平辅助，不过仅49天以后，尹志平就接掌了全真教，所以在全真掌教谱系中，一般没有把宋道安列入。以后的全真教，在尹志平和李志常等弟子的带领下，“教风之盛，自三代而下，未有若此时也”。
实际上，虽然全真教比太一、大道二教出现得晚，但是由于其成员的文化层次总体上比二教高很多，因此留下的着述也是最多的，有学者统计过，全真教的创作量占三教总数的三分之二还要多。
丘处机的文学造诣极深，虽然小时候文化功底差，但跟随王重阳以后极为刻苦，不仅道教典籍，儒释经典同样苦读，其作品以文简理直着称。
道学方面，以《大丹直指》为代表作，对全真教的内修功法系统、全面、深入地加以讲解，是留给后人的一部宝贵经典。
丘处机还留下了五百首左右的诗以及一百五十余首词，内容涉及道教理论、社会生活、百姓苦难等多方面，对于研究当时的社会、经济、文化有着很高的参考价值。
丘处机对于道藏的整理工作极为重视，在他的支持下，弟子宋德芳经过八年，重印了120卷道藏。
其他方面，丘处机还成功得培养了尹志平、李志常等高足，在养生、医药学等方面同样贡献巨大，比如他的《摄生消息论》在我国中医药学领域有着很大的突破和贡献。
1269年，忽必烈诏赠丘处机为“长春演道主教真人”，1310年，元武宗又加封“长春全德神化明应真君”。