1246年，窝锅台之子贵由即位，两年后病死，由其妻摄政，朝政混乱不堪，1251年术赤-拖雷派系取得主动，由拖雷之子蒙哥即位大汗，整顿朝纲，加强集权，再次展开征服来树立大汗的威望。蒙哥命其弟忽必烈征讨南宋；其弟旭烈兀向伊朗高原进发，征讨阿拉伯地区。
1253年，旭烈兀出发，行军速度可以用缓慢来形容，沿途也是毁城屠杀无数，特别是伊斯玛仪派（伊斯兰教叶什派一支）信徒深受其害。直到1257年，西征的军队才来到巴格达城下，当时统治巴格达的为阿拔斯王朝（中国称其为“黑衣大食”，欧洲称其为“东萨拉森”）。
1258年，巴格达城陷，死亡80万人，大火烧了七天，阿拔斯王朝灭亡。接着进军叙利亚；1260年攻陷阿莱普和大马士革，此时，蒙哥去世的消息传来（据说蒙哥在围攻南宋合州时被炮石击中身亡），旭烈兀率军东归，阿莱普和大马士革被伊斯兰英雄贝巴尔斯收复。后来旭烈兀支持忽必烈即位大汗，忽必烈也将北起高加索，南至波斯湾，东临阿姆河，西抵叙利亚的大片土地分给他，旭烈兀自称“伊利汗”，建立了伊利汗国。
旭烈兀的西征给阿拉伯世界带来的灾难，比十字军东征有过之而无不及。但伊利汗国的建立对历史还是有贡献的，特别是旭烈兀热爱知识，对学者奖励有佳，并且对天文十分喜好，建立了许多天文台，其接受建设性思想的程度虽比不上忽必烈，但也有可取之处。
旭烈兀西征完成了成吉思汗子孙对西方的最后一次征讨，由于蒙古帝国的征服，东西方的道路变得十分畅通，起码商人、探险家和传教士不再受到沿途的关卡阻碍，也出现了马可·波罗式的人物。 在以后的历史中也没有一个国家能像蒙古帝国那样进行如此大规模的征服行动。
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