1252年，蒙古大汗蒙哥派遣怯的不花为先锋，率1.2万人从中国西部出发，先行西征克什米尔和波斯。第二年，旭烈兀率蒙古和汉人组成但主力军团自华北出发，进入西域，渡过阿姆河，汇合怯的不花军团，开始大规模西征。据波斯史学家的记载，蒙哥授予旭烈兀的旨意是：“让从阿姆河两岸到埃及尽头的土地居民都要遵循成吉思汗的习惯和法令。对于顺从你命令的人要赐予恩惠，对于顽抗的人要让他们遭受惩罚”。

旭烈兀首先打击的是里海之南的亦思马因派回教之国——木剌夷国，这一派别是历史上有名的穆斯林“刺客派”。曾经多次派人暗杀成吉思汗和蒙哥未遂。同蒙古人结下了深仇大恨。旭烈兀分三路大军进攻，自己亲率中路军，攻陷了教主忽儿沙的城堡。亦思马因派90多座城堡被毁，忽儿沙在押解途中被杀，这一颇有实力的派别从此在历史上消失了。

接着旭烈兀进攻的是巴格达的阿拉伯阿拔斯王朝哈里发。阿拔斯王朝因擅长同各种侵略势力周旋，保全自己至少作为穆斯林宗教领袖的地位，到这时已传了36代，历经508年。旭烈兀先用决堤放水淹没了哈里发的主力军，接着以一场围城战和火炮轰炸迫使哈里发弃城出降。

14世纪波斯绘画——1258年蒙古军围攻巴格达

巴格达的陷落使西方世界陷入了恐慌状态。但旭烈兀没有停下他的脚步，他的下一个目标是叙利亚。在攻打叙利亚之前，他已接受了亚美尼亚国王和安条克国王的归顺。当时的叙利亚名义上属于阿尤布王朝（行政中心在埃及），实际由国君纳昔尔统治。旭烈兀没有接受纳昔尔的求和，从1259年到1260年，他先后攻下了阿勒颇和大马士革，征服了叙利亚地区。

但就在此时，一个突发事件改变了中东诸民族和教派的命运。蒙哥汗在南宋四川地区战死。他的诸兄弟为汗位继承权发生激烈的争夺。于是旭烈兀决定东归，只留下怯的不花的5000人军队留守叙利亚。当旭烈兀回到波斯时，得知同父同母的四弟阿里不哥、二哥忽必烈两人发生了大汗争夺之战（旭烈兀排行老三，蒙哥老大），而他不愿回国卷入这场兄弟之战。旭烈兀决定不再东归，留驻波斯。

夺位战争进行了5年，从1259年到1264年。最后忽必烈战胜了同父同母的阿里不哥，夺取了汗位。1264年，旭烈兀接受了元朝皇帝忽必烈的册封，成为伊儿汗国王者，统治波斯、伊拉克、叙利亚和埃及。但不久，叙利亚和埃及地区发生了反抗蒙古人的暴动和起义。旭烈兀在叙利亚的驻军被阿拉伯人击败消灭。在埃及王朝优势兵力的围攻下，怯的不花在以少战多的情况下被俘而死，叙利亚地区落入埃及政权之手。

晚年的旭烈兀致力于巩固在波斯的统治，他通过武力胁迫或联姻的手段，清除了波斯境内的割据势力，使波斯成为伊儿汗国统治的核心地区。到他的孙子合赞汗统治时期，伊儿汗国达到全盛，领土“东起阿姆河，西至地中海，北自高加索，南抵印度洋”，经济文化也欣欣向荣。伊儿汗国的统治一直延续到1388年，亡于帖木儿之手。