元成宗時，任通政院使兼武備卿。大德十一年（1307年），元武宗即位，任知樞密院事。奉命以漢軍萬人，別立一衛，來完備五衛之制，遙授為左丞相。至大元年（1308年），加錄軍國重事。至大三年（1310年），任知樞密院事。至大四年（1311年），元仁宗立，罷尚書省，鐵木兒不花奉仁宗命，與中書右丞相塔思不花審理尚書省丞相脫虎脫及三寶奴等變亂之事。受封宣寧王。改任宗正札魯花赤。延祐六年（1319年），為御史大夫。延祐七年（1320年），元英宗即位，複知樞密院事。至治元年（1321年），因為軍士貧乏，奉詔整治軍政。元順帝元統三年（1335年），再為御史大夫，加銀青光祿大夫。至元二年（1336年），升任中書省平章政事。至元六年（1340年），元順帝以脫脫為右丞相，鐵木兒不花為中書左丞相，並錄軍國重事。元順帝稱他為嘉績著聞。