且说刘仲禄一行来到了莱州昊天观，向丘处机宣读了成吉思汗召请丘处机觐见的诏书，并说道：“大师的美名远扬五湖四海，皇帝特诏仲禄翻山越岭，不限岁月，务必要见到大师”。丘处机说道：“我循天理而行，我去哪儿要遵天意，不敢违抗！”
丘处机对刘仲禄一行的远道而来十分感动，他还说道：“如今兵荒马乱，先生不远万里冒险来此，真是辛苦你们了。”
蒙古军队素以大肆杀伐闻名，丘处机决定前往劝阻这支野蛮杀伐、横行天下的军队。丘处机虽然未见过成吉思汗，但通过刘仲禄的详细介绍，他对成吉思汗有了更全面的了解。他不顾72岁高龄，欣然应召。丘处机挑选赵道坚、宋道安、尹志平、李志常等18名弟子随行，于1220年正月从昊天观启程，在刘仲禄率领的二十余名骑兵的护送下，踏上了远赴蒙古的征程，经潍阳（山东潍县）、青州（山东益都）、常山（河北正定），3月抵达燕京。
丘处机到燕京后听说成吉思汗已从乃蛮故地拔师西征，便写了一封《陈情表》上书成吉思汗：登州栖霞县志道丘处机，近奉宣旨，远召不才。不过处机谋生太拙，学道无成，辛苦万端，老而不死。虽自己名声在外，却不能使众人向道，自感惭愧。前者金及宋屡召不从，今者龙庭一呼即至，是因为听说皇帝天赐勇智，今古绝伦，道协威灵，华夷率服。本想投山窜海以见到皇上，原以为皇上只在桓抚以北，可到了燕京听说皇上又西征了，不知是千里万里。自己已经年老体弱，恐怕经不起这一路的风霜和颠簸，到不了那个地方。加上自己也不懂得军国之事，虽有道德之心，令人戒欲也是难事。于是与宣差刘仲禄商议，不如暂且留在燕京德兴府暂住，等皇上西征归来时再拜见皇上。刘仲禄不敢做主，故不免自写奏帖，先令人前去奏知。恳求皇上能念处机肯来归命，远冒风霜，伏望圣裁。
刘仲禄派随从官员曷剌快马加鞭去报告成吉思汗。成吉思汗收到这个表文时已攻下花剌子模国首府撒麻尔罕（今乌兹别克斯坦的撒马尔罕）。成吉思汗因忙于西域战事，不能东到燕京，他没有同意丘处机的请求，写了复诏，表明即使丘处机不能辅佐处理军国之事，但他仍然崇尚丘处机的道德之心，恳请丘处机西游撒麻尔罕。他又派曷剌将复诏带回给丘处机，丘处机只好继续西行。当时刘仲禄欲为成吉思汗在燕京挑选处女，丘处机当即劝阻说：“春秋时齐景公为了削弱鲁国，派人挑选美女80人送给鲁定公。使鲁定公与宰相朝欢暮乐，朝政日衰。孔子为此指责鲁定公：君相沉溺于声色，国家何以图强？”刘仲禄听从了丘处机的劝阻。后来成吉思汗知道后，对此大加赞赏。
丘处机被迫继续西行，颠簸于马背之上，行走于沙海之间，他的诗文记述了当时的情景：“不堪白发垂垂老，又踏黄沙远远巡。”
丘处机一行先从燕京北上，取道锡林郭勒大草原，由此折而向西，横越蒙古。他们刚出燕京的第一个晚上，在夜宿居庸关外时遇到一伙强盗打劫。丘处机劝蒙古兵先不要动手，自己则上前对群盗们说：“我是道士丘处机，前往西域教化。如今百姓面临战乱之灾，你们何不做护民之事，反做害民之人？”盗匪们听后收起兵器说：“不要打扰父师！”
丘处机一行在到达宣德州（今河北宣化市）时住在龙阳观，附近道士慕名前来请丘处机开坛传戒。当丘处机开始讲道时，谁知闻讯前来听道的人竟然超过了千人！龙阳观内只有一口井，能供百人饮用，来人如此之多使饮水不够用。善缘天助，忽然井水上涨并且外溢，用之不竭。
丘处机在龙阳观写诗寄给燕京的同道们，言明自己此行的目的：
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，早教身命得消忧。
1221年春天，邱处机接到驻守蒙古北方的成吉思汗四弟斡辰大王之请，要他们西行前务必先到北方大营来见。宣差催促起程北行，临行时，百姓们拦住马头问丘处机何日能归，丘处机很感动，回答说：“三年可归。”
丘处机一行穿过大沙陀和茫茫草原，中途粮食断绝，蒙古人宰杀牲畜吃肉，而丘处机与道众们见路边有野生韭菜，就割下来充饥。走了近两个月才到达捕渔海子（呼伦湖）畔的斡辰大王行宫。
斡辰大王向处机询问长生之道，丘处机说：“恐怕不合天意，三日内天若无变，我自向大王讲道。”第二日忽然天降大雪，斡辰惶恐地说：“皇上不远万里派使臣来请先生问道，我怎敢先于皇上呢？”于是赠给马牛车数十辆，并派兵数百人护送邱处机启程。
同年七月他们到达镇海城（今内蒙古吉尔嘎郎图东南）时，他对镇守官田镇海说：“这里的庄稼长得很好，我看见了心中十分高兴，想在此过冬恭候皇帝圣驾回师，不知是否能够得到你的应允？”
丘处机不愿再走的态度已经是很明显了，但合适的借口他也找不到，此时丘处机的心情显得格外矛盾。
田镇海回答他说：“近来各处官员都接有圣旨，‘如遇长春真人经过，不得留住耽误行程。’您若是停留在这里，镇海难当其罪。”丘处机无奈只得继续赶路。田镇海还对丘处机说：“前面有大山广泽，不利于车马行走，宜减少车辆和随从。”他接受了田镇海的建议，留下宋道安、李志常等九名弟子修建栖霞观。
他们沿陆局河（今祛鲁连河）西行，这日午时天空出现日全食，刘仲禄来问丘处机：今天为什么会发生日食，丘处机解释说：“这是自然现象，按照孔颖达《春秋疏》中所言，月体遮住了太阳就会出现日食。不用惊慌，过一会儿就好了。”
他们十一月至赛兰城时，年近六十岁的赵道坚对尹志平说：“我随师在宣德时，觉的有要离开人世之兆，感到很疲惫。师傅曾说，道人不以死生动心，不以苦乐介怀，所适无不可。今归期将至，公等善事父师。”赵道坚数日后得病而逝，邱处机命弟子们将他葬于东郭原上。
历经二年多的长途跋涉，在1222年4月5日，丘处机在刘仲禄、田镇海的陪同下经新疆北部，到达了大雪山（今阿富汗兴都库什山），来到撒麻尔罕，受到了留守在这里的耶律楚材的盛情款待。
此时成吉思汗正在征杀帕尔万（今阿富汗喀布尔以北地区），得知丘处机已经抵达撒麻尔罕，便命使者代他前去致意：“真人不远万里，跋山涉水来自东方日出之地，一路很是劳累辛苦。还望再略候一段日子，待我前来问道。”
不久，成吉思汗命田镇海派甲士护送丘处机前来八鲁湾相见。丘处机、刘仲禄、田镇海一行3月15日自撒麻尔罕起行，经碣石城、越铁门关、渡阿姆河。4月5日来到八鲁湾成吉思汗的行宫。成吉思汗派大臣代为迎接安置后，很快召见了丘处机。
丘处机师徒奉旨在太师阿海、翻译阿里鲜和刘仲禄、田镇海的陪同下来到成吉思汗的行宫大帐。丘处机进帐时成吉思汗起身相迎，丘处机向成吉思汗打了个躬说：“山野丘处机给皇上请安了！出家人乃方外之士，不给皇帝行跪拜礼，见面只打躬拱手而已，望皇上鉴谅。”
成吉思汗连忙表示理解，又问田镇海如何称呼丘处机，田镇海说：或真人，或先生，或神仙。
成吉思汗对丘处机说：“金、宋征聘你都被你拒绝。今日你逾越万里而来，我甚高兴。”
丘处机说：“山野之人奉诏而来，此乃天意。”
成吉思汗接着问道：“神仙远道而来，不知有无长生之药作为奉献？”
丘处机说：“世上只有延年益寿的卫生之道，从来没有长生不死之药。”
成吉思汗有些失望，但也很欣赏丘处机的坦诚。成吉思汗问如何才能长寿，丘处机说：“应以清心寡欲为要。学道之人首要戒色，去掉****，固精守神。这样就会阴消阳全，升天为仙，就像火向上燃一样。”
成吉思汗问如何才能治理国家平定天下，丘处机说：“陛下应以敬天爱民为本。今民因兵火流散，可以免去他们三年税赋，使之获得苏息，军中才能有足够的物质，一举两得。这也是安民祈福的一种方法，如果能这样作，天自佑之，吉无不利。”
成吉思汗令人在自己的大帐东面另设两帐让丘处机和其弟子们居住，以便随时召见。
由于花剌子模的三子札兰丁打败了一支蒙军，成吉思汗大怒，决定御驾亲征，所以五个月后丘处机才再次见到成吉思汗，在9月15日、19日、23日的夜里，丘处机向成吉思汗三次论道，所讲内容都是内丹养生之道，他多次借机向成吉思汗进言：“要长生，须清心寡欲；要一统天下，须敬天爱民。”深得成吉思汗赞赏，成吉思汗一直把把丘处机称为神仙，并曾听从丘处机的劝告下令对百姓“止杀”。
一次，成吉思汗在雷雨天过桥时，桥一下子被雷劈断了，成吉思汗便问邱处机雷暴为什么会击死人，丘处机回说：“这是上天在警告不孝顺父母的蒙古人。《孝经》中说‘三千之罪，莫大于不孝’。神灵用雷击死不孝逆子来警告天下的人要孝敬父母。我听说贵国风俗不讲孝道，皇上可以利用权威教戒本国民众。”
成吉思汗说：“神仙的话正合朕意。”并诏告国人，听从神仙的指示，要尽孝道。
1223年初春的一天，成吉思汗外出打猎时遇到一只大野猪，他在追逐野猪时连射几箭都没能射中。突然野猪掉头反向成吉思汗袭来，成吉思汗的坐骑跌倒，将其掀下马来，此时野猪却停止了攻击。
成吉思汗回到行宫向丘处机讲述此事。丘处机说：“天道好生，皇上宜少出猎。此次坠马，正是天戒啊。”
成吉思汗说：“朕已深省，神仙劝我良是。”此后成吉思汗连续两个月不曾出猎。成吉思汗还命耶律楚材记录与丘处机多次谈话的内容，取名《玄风庆会录》，以教育自己的子孙。
由于不适应高原气候，加上思念故土，丘处机于1223年春决定东归。丘处机向成吉思汗辞行，成吉思汗想留丘处机在身边。丘处机以当年回答金世宗的话来回绝，并说：“贫道来时曾向友人们保证三年可回，今三年之期快到，不能负言。”成吉思汗只好同意其返回。成吉思汗派兵相送，并要宣差阿里鲜和喝剌八海带着赐封丘处机及减免道士税赋的诏书护送丘处机返回，田镇海也与丘处机一路回到阿不罕山城。成吉思汗在诏书上写到：“丘神仙所到之处，如朕亲临。”
1224年(元太祖十九年)，丘处机回到燕京，奉旨住持天长观(今白云观)。同年，丘处机曾持圣旨释放沦为奴隶的汉人和女真人3万余人，并通过加入全真教即可免除差役的方式，解救了大批汉族学者。自此，全真教盛极一时，很多寺庙改为道观、佛教徒改作了全真道士，丘处机的声誉达到了登峰造极的地步。《元史•释老传》说：当时国兵践踏中原，尤其河南、河北更为严重，生灵涂炭，民不聊生。丘处机西行回来后，广度全真教徒，使其弟子们持度牒免于差役，成为奴隶者得以解救，濒临死亡者得以复生，受益者至少有二三万人。
1227年，成吉思汗下诏将天长观改名长春宫，并赐“金虎牌”，诏命丘处机掌管天下道教。
同年7月3日，燕京下了一夜大雨，长春宫后的一座小山和御赐的太液池被洪水冲毁了，池中由众善士放生的鱼鳖等，全被洪水冲走。天明雨停后，丘处机得知此事，叹道：“山崩池枯，鱼归河海，返其本来处。我要和它们一样走了！”
而后丘处机即排泻不止，跑肚拉稀。