察罕帖木儿字廷瑞，祖籍北庭。曾祖阔阔台在元初随大军征取河南。其祖父乃蛮台、父阿鲁温都定居颍州沈丘，因以河南为籍贯。察罕帖木儿自幼好学，有大志。
至正十一年(1341)红巾军在汝宁和颍州起义反元，攻下江淮诸郡，屡败元军。十二年察罕帖木儿在沈丘募兵数百人与信阳罗山人李思齐合兵谋取罗山。朝廷授他为中顺大夫、汝宁府达鲁花赤，部队增为万余人，驻守沈丘。
十五年红巾军势力弥漫于邓、许、嵩、洛一带。察罕帖木儿大败义军，因功授职为刑部侍郎。不久，义军三十万攻汴京以西，袭击中牟。察罕帖木儿屯军中牟，严阵以待，败义军，军声大振。因功升中书兵部尚书。十六年义军攻陷陕州，占据肴殳陵、函谷关，打算向陕西、山西推进。知枢密院事答失八都鲁调察罕帖木儿与李思齐率军堵截。察罕帖木儿攻克肴殳陵，义军固守陕州，两军相峙。后义军渡过黄河，攻陷平陆和安邑，转战于山西南部。察罕帖木儿率元军与义军周旋数月，迫使义军转战他处，因功加中奉大夫、佥河北行枢密院事。十七年义军出襄樊，陷商州、攻武关，直趋长安。然后又分兵攻取同州、华州，陕西中部所谓“三辅”地区大为震动，陕西行省告急。察罕帖木儿率大军入潼关与义军大战。义军转入南山，进军兴元路。朝廷因收复关陕有功而授察罕帖木儿资善大夫、陕西行省左丞。不久，义军又从巴蜀攻陷秦陇，占领巩昌，欲进军凤翔。察罕帖木儿自率骑兵与义军血战，义军受挫，关中全为元军收复。
至正十八年(1358)，山东义军分兵进逼京都，朝廷恐慌，征调四方元军来保卫，令察罕帖木儿屯兵涿州。察罕帖木儿留一部分元军分守清湫、义谷、潼关、南山口诸地，自己领精锐士卒赶赴涿州。这时义军声势大张，曹州、濮州一带义军分道越过太行山，活跃于山西、河北一带，攻占云中、雁门、代郡，烽火数千里，向南推进。察罕帖木儿伏兵于南山，自领重兵屯驻闻喜、绛阳，与南下义军大战。以后又分兵屯守碗子城、上党、吾儿谷、并州、井陉口，以堵塞太行山的通道。义军多次进攻失利。察罕帖木儿又因功进升陕西行省右丞兼陕西行台侍御史、同知河南行枢密院事。皇帝诏令他守御关陕、晋、冀，可自行处理汉、沔、荆襄军职外的事务。察罕帖木儿以练兵务农、平定四方为己任。
这一年，安丰红巾军刘福通攻下汴梁，修宫室建为国都，巴蜀、荆楚、江淮、齐鲁、辽海以至甘肃各路义军起而响应，相互连结。察罕帖木儿督军北堵义军于太行，南守巩县、洛阳，自将中军屯驻沔池。守覃怀部将周全叛，投向义军，与义军合兵围攻洛阳。察罕帖木儿一面下令洛阳元军严守，一面自己率兵从新安支援。义军久攻洛阳不下，撤走，察罕帖木儿因守住了洛阳而拜官为陕西行省平章政事，兼任同知行枢密院事。
至正十九年(1359)，察罕帖木儿企图收复汴梁。五月大军屯驻于虎牢关，先遣军南出汴南，占据归德府、陈州、亳州、上蔡，北出汴东，沿黄河而下，占领曹州以南之黄陵渡。又令陕西元军出函关，过虎牢；山西元军出太行，渡黄河，共会兵于汴梁城下，先夺取城郊。察罕帖木儿率军屯驻杏花营。双方从五月一直战到八月，义军粮缺，元军各分门围攻。刘福通以百骑护其宋国国主韩林儿由东门突围而去。不到十天河南平定。察罕帖木儿又以功拜河南行省平章政事，兼知河南行枢密院事、陕西行台御史中丞。察罕帖木儿平定中原后，又分兵镇守关陕、荆襄、河洛、江淮，而以重兵屯驻太行，修缮车船兵甲，务农积谷，训练士卒，准备再收复山东。
至正二十一年(1361)六月，察罕帖木儿闻山东义军内部不和，而济宁元军田丰部却投降义军，乃火速自陕抵洛，大会诸将，商议出兵日期。会后发并州军出井陉，辽、沁军出邯郸，泽、潞军出磁州，怀、卫军出白马，汴、洛军水陆俱下，分道并进。察罕帖木儿自率铁骑渡孟津，越过覃怀，向东进发，收复冠州、东昌。八月，师至盐河。遣其子扩廓帖木儿及诸将，以精兵五万进攻东平，两战两捷，斩首万余级，直抵城下。田丰及王士诚皆降，元军收复东平、济宁。这时大军还未渡河，义军聚于济南，两军在齐河、禹城对峙。察罕帖木儿分兵取小道绕敌后方，南攻泰安，进逼益都，北攻济阳、章丘，中路夺取沿海诸郡，自领大军渡黄河，与义军战于分齐，大败义军，进逼济南城。齐河、禹城相继投降，南路诸军亦告捷。接着元军又败益都义军于好石桥，东至海滨，郡县闻风而降。察罕帖木儿围攻济南三月才下。朝廷拜为中书平章政事，知河南、山东行枢密院事，仍兼陕西行台中丞。其后率军围益都，环城列营凡数十，大量修造攻城器械。城中义军顽强抵抗。到二十二年(1362)，山东除益都外，其余均为元军占领。是年六月，田丰、王士诚暗中与义军连结，图谋叛元。察罕帖木儿闻知，不顾别人劝阻，带轻骑十一人先后至王信及田丰营，希望能说服他们。不幸为王士诚杀害。朝廷闻之无不恸哭。诏赠推诚定远宣忠亮节功臣、开府仪同三司、上柱国、河南行省左丞相，追封忠襄王、谥“献武”。后又改赠宣忠兴运弘仁效节功臣，追封颍川王，改谥“忠襄”，食邑沈丘县，立祠每年祭祀。追封其父阿鲁温为汝阳王，后又进封为梁王。