1251年蒙哥汗即位。蒙古掀起新一轮对外征服的浪潮。两个皇弟，忽必烈和旭列兀，分别被委任为进攻南宋和西域未降势力的军事统帅。蒙古军对南宋的经略颇经波折，蒙哥汗本人最后也死在征宋前线；第三次西征却在他的在位期间大体完成。作为第三次西征和蒙哥汗死后政治局势变化的综合后果，蒙古在波斯、阿拉伯地区留下了一个伊利汗王朝。
成吉思汗和拖雷对阿姆河以南的狂飚式扫荡，虽然摧毁了花刺子模统治该地的基础，也把少量蒙古军队和官员散布在那里，但总的说来，他们留下来的行政和军事设施都极其薄弱。哲别和速不台更是得地不守。因此，一待蒙古主力东归，札兰丁立即从印度返回波斯，曾在那里动员起一场短暂的复国运动。窝阔台即位后，又派出3万军队追讨札兰丁。1231年，札兰丁在东躲西藏的流亡过程中被杀，花剌子模亡。蒙哥汗即位时，在阿姆河以南的方向上，蒙古人的未竟之业主要有四个方面：一是要把蒙古先后设立在徒思城的呼罗珊总督府、阿哲儿拜疆军政府和怯失迷儿（今译克什米尔）军政府进一步协调起来，在这一方地面上确立稳固统治；二是摧毁盘踞在今里海西南厄尔布儿士山脉中的“山老”暗杀团；三是迫降都于报达（今译巴格达）的阿拔思哈里发朝，如其抵抗则攻灭之；四是从报达继续西进，征服今小亚地区，完全打通从西亚进入东地中海的道路。实现上述后三个目标，就是旭烈兀在西亚军事行动的基本内容。
山老暗杀团虽然将自己的渊源追溯到伊斯兰教什叶派里的神秘主义分支伊斯玛因教派，但它真正在厄尔布儿士山和忽希斯坦（在今伊朗霍腊散省西南部）山地中许多险隘处构筑堡寨，从而形成纪律严明的独立宗教王国，却是在12世纪晚期。这个王国的世袭教主宣传一种“革新”的教义，废除了伊斯兰教的传统戒条，让信徒吸食一种含少量麻醉成分的植物“哈西希亚”，藉以获得进入“天国”的片刻幻想，并且大批训练刺客，用暗杀来扩大其影响。山老暗杀团被其他伊斯兰教派别称为“木剌夷”（阿拉伯语“迷途者”的意思）；又称为“哈西夏辛”（hashshashin），即吸食哈西希亚的人。欧洲基督教世界则叫他们“暗杀者”（英语作assassin，这个字即来源于hashshashin）。
木剌夷王国曾受塞尔柱王朝和花刺子模王朝的镇压。花剌子模覆灭后，他们的势力再度扩大。尽管他们与大蒙古国维持着一定程度的政治关系，但双方心里都很清楚，两家在西亚的利益正在发生越来越深刻的冲突。1238年，木剌夷甚至遣使英、法两国，希望与它们结盟，共同对付蒙古。
按照蒙哥的命令，旭烈兀除了有权征调指挥原先已在阿姆河以西的全部蒙古军队外，还从漠北的全体游牧军人中，每10人抽出两人，由所属的各支宗王子弟带领，随同他出征。中原汉地还有一支专门制造和使用火药的部队参加这次西征；引爆火药的制作大概就是由他们传入西亚，并且又通过穆斯林世界而传至欧洲的。
1252年，西征前锋1，2万人由怯的不花统领，先行出发。旭烈兀本人于次年秋踏上征途，1255年秋至撒马尔干，在那里宣谕大汗对他的各项委命。1256年初，他渡过阿姆河西进，在5月间攻灭了忽希斯坦山区的木刺夷堡塞，遂移兵厄儿布儿士山地。
1256年8月至9月间。旭烈兀进至山老暗杀团的大本营。木刺夷原教主适在上一年底被人暗杀于大醉之中。他的儿子忽儿沙即位后，颇欲舍弃伊斯玛因教义而改从伊斯兰法。面对蒙古的军事威胁，他一面停止直接对抗，表示愿意归降；一面仍凭险而守，图以实力促成和平交涉。10月中，旭烈兀调四路人马包围忽儿沙所在山堡，实施强攻。忽儿沙原先指望拖到冬季，待雪封山，自可迫使蒙古军不战而退。但这一年严寒未至，忽儿沙遂被迫于11月中旬出降。木剌夷平。
旭烈兀的下一个目标是阿拉伯帝国。从750年起，阿拔斯家族一直控制着帝国最高统治者哈里发的王座。到蒙古兵侵西亚时，在位的是该家族第三十六代哈里发谟斯塔辛，但这时阿拔思哈里发帝国的强盛早已成为“光荣的昨天”。9世纪中叶后，阿拉伯帝国的各省区逐渐演变为一系列半独立的地方王朝，甚至出现了像塞尔柱、花剌子模这样的突厥政权，将阿拔思哈里发王朝的大部分疆域纳入自己的统治。蒙古兴起时，哈里发的实际领地只剩下报达及其以南今幼发拉底和底格里斯两河流域之地。他虽仍保有富贵，但其伊斯兰教和穆斯林世界最高领袖和宗主的身份，在很大程度上已变成一种虚名。
1257年春天，旭烈兀移师哈马丹。经过一个夏季的休整，完成进攻报达的战前准备。9月，旭烈兀遣使至哈里发处谕降。妄自尊大的哈里发无视蒙古已经占有他的“帝国”的绝大部分疆域的事实，骄傲地对来使说：“你从我这里得不到你所要找的任何东西。”这无疑是一道战表。同年11月。蒙古军开始实施包围报达的军事行动。至1258年1月，“多如蚁蝗的蒙古人从四面八方和附近地区逼进来，在报达周围密集地形成包围圈。并筑起壁垒”。出城迎战的报达军被击溃。哈里发企图依旭烈兀从前提出的条件议和，被旭烈兀拒绝。2月初，报达无条件投降。城内军队出降后被分配给蒙古军士全部杀死。“留在城里的人跑散了，躲藏在地窖和澡堂的炉子里”，阿拔思家族的末代哈里发被处死。有的史书说，他是被饿死的。据说旭烈兀在哈里发面前摆满金银珠宝，却不给他饮食，意思是讽刺他只知贪图金宝，终至亡国。也有记载说他被装入皮囊，由马驰践而死。不懂得蒙古传统的西亚人想象说，这样做是因为旭烈兀相信了一些伊斯兰教长者的威胁。他们声称，如果哈里发人血溅地，那么这个世界就将被伴随着狂风的地震所毁灭。
摧灭阿拔思哈里发王朝的次年秋天，旭烈兀西进叙利亚。当时叙利亚大部分疆土为著名的库尔德族将军撒刺丁之孙统治，称艾育伯王朝。1260年1月，蒙古军强攻阿勒波城（今译阿勒颇），历一周城破。叙利亚军队从此丧失斗志。4月，大马士革陷落。这时蒙哥汗的死讯传到西亚前线。旭烈兀留怯的不花统2万人继续经略未服诸城，自己从前线东返，预备回到蒙古，参加推选大汗的斗争。1260年9月，埃及玛木鲁克王朝出兵小亚，怯的不花所部全军败亡。玛木鲁克军队连克大马士革、阿勒坡等城，还有自幼发拉底河西至叙利亚全境。
旭烈兀在赶赴蒙古本部途中接到忽必烈和阿里不哥两汗相争的消息。于是他停止前进，作壁上观。忽必烈为争取西道诸王的支持，宣布把阿姆河以南全部交给旭烈兀。本来蒙哥在委命旭烈兀西征时曾对他说：“你完成这些大事后，就返回本土来吧。”这就是说，阿姆河以南是属于黄金家族共有的财产，旭烈兀不过是统领黄金家族的各支人马去完成征服的代表而已。蒙哥死后的汗位危机，迫使忽必烈承认了旭烈兀在西域的既得权益。从此这片地面变成旭烈兀及其后人的“梯己分子”。
旭烈兀对大汗自称il-khan，意思是“附属的汗”、“藩王”。il-khan的称号应当表示，他自己的地位要略低于成吉思汗时代所封的各兀鲁思汗。这个词过去都译作“伊儿汗”。其实元代从不用“儿”、“尔”等汉字来作的译音。按照当时译写非汉语词汇的体例，旭烈兀的王朝，应当译作伊利汗朝。
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