1246年，窩鍋臺之子貴由即位，兩年後病死，由其妻攝政，朝政混亂不堪，1251年術赤-拖雷派系取得主動，由拖雷之子蒙哥即位大汗，整頓朝綱，加強集權，再次展開徵服來樹立大汗的威望。蒙哥命其弟忽必烈征討南宋；其弟旭烈兀向伊朗高原進發，征討阿拉伯地區。
1253年，旭烈兀出發，行軍速度可以用緩慢來形容，沿途也是毀城屠殺無數，特別是伊斯瑪儀派（伊斯蘭教葉什派一支）信徒深受其害。直到1257年，西征的軍隊才來到巴格達城下，當時統治巴格達的為阿拔斯王朝（中國稱其為「黑衣大食」，歐洲稱其為「東薩拉森」）。
1258年，巴格達城陷，死亡80萬人，大火燒了七天，阿拔斯王朝滅亡。接著進軍敘利亞；1260年攻陷阿萊普和大馬士革，此時，蒙哥去世的消息傳來（據說蒙哥在圍攻南宋合州時被炮石擊中身亡），旭烈兀率軍東歸，阿萊普和大馬士革被伊斯蘭英雄貝巴爾斯收復。後來旭烈兀支持忽必烈即位大汗，忽必烈也將北起高加索，南至波斯灣，東臨阿姆河，西抵敘利亞的大片土地分給他，旭烈兀自稱「伊利汗」，建立了伊利汗國。
旭烈兀的西征給阿拉伯世界帶來的災難，比十字軍東征有過之而無不及。但伊利汗國的建立對歷史還是有貢獻的，特別是旭烈兀熱愛知識，對學者獎勵有佳，並且對天文十分喜好，建立了許多天文臺，其接受建設性思想的程度雖比不上忽必烈，但也有可取之處。
旭烈兀西征完成了成吉思汗子孫對西方的最後一次征討，由於蒙古帝國的征服，東西方的道路變得十分暢通，起碼商人、探險家和傳教士不再受到沿途的關卡阻礙，也出現了馬可．波羅式的人物。 在以後的歷史中也沒有一個國家能像蒙古帝國那樣進行如此大規模的征服行動。
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