旭烈兀西征

1253年7月，旭烈兀命令將領怯的不花率12,000人率先進攻，为主力军作准备。而旭烈兀則仍留在和林，继续筹建主力西征军，為長征作準備。1254年10月，旭烈兀率西征军出征。旭烈兀大军经过阿力麻里（即現今中國新疆霍城西北方的阿脱诺克），到达突厥斯坦。1255年，西征军驻在突厥斯坦。1256年9月，西征军攻進撒马尔罕（即現今乌兹别克斯坦），並駐留40日，之後继续进軍至铁门关（即現今乌兹别克南方），又在這裡駐留了30日。六年春，西征军向木剌夷國（即現今伊朗北方）进軍。[6]

當時的木剌夷国军队兵力約有100,000人，在库希斯坦（即現今阿富汗和伊朗北部交接處）。由西征军將領怯的不花領先锋，进入木剌夷國境後，先攻陷几个城池，再后包围要邑古儿都苦。怯的不花部隊消灭了木剌夷军一半兵力。後來西征军通过撒麻耳干，向木剌夷接近。后來西征军进入水干城，旭烈兀命令拜住带领主力军移往小亚细亚。之后，蒙古主力军进攻至撒瓦。旭烈兀派库喀伊尔喀支援怯的不花，攻打库希斯坦。而後與主力军聚合。蒙古军主力经过徒思，抵达尼沙不耳州哈不衫。旭烈兀見不能一時戰勝，所以决定採用消耗戰。

1256年6月，鲁克赖丁见到西征军進攻，便派弟沙歆沙投降，又把要塞拆掉。[7] 後來，旭烈兀覺得鲁克赖丁假意投降，便把西征军分为三部，向木剌夷都城麦门底司堡（即現今伊朗剑北部吉兰省內）进軍（麦门底斯之战）。鲁克赖丁于11月19日投降。12月，西征军进入兰麻撒耳。當時塔亦儿不花军和波斯军攻打兰麻撤耳堡，並将兰麻撤耳攻克。木剌夷国最终全部被旭烈兀所占领[8]。

旭烈兀的軍隊進攻巴格達

1257年9月21日，旭烈兀率军向阿拉伯帝國阿拔斯王朝（核心地区为今伊拉克）发动进攻。阿拉伯哈里發穆斯台綏木决议率军抵抗，经过努力组建了约7万军队。旭烈兀首先派怯的不花率领骑兵，进入木剌夷和阿拉伯帝国之间的山地，打开从哈马丹通往巴格达的通道。接着，蒙古军队分为三路进攻阿拉伯帝国。11月，三路蒙古军队同时向阿拉伯帝国首都巴格达进軍。中路蒙古军攻破开尔曼沙后，於12月18日进軍火勒完。這时，左路蒙古军占领罗耳之地；右路蒙古军在塔克利特（今伊拉克巴格达附近）渡过底格里斯河（底格里斯河之战），与阿拉伯軍队相遇。拜住利用水淹的方法殲滅了这支阿拉伯军队。阿拉伯哈里发穆斯台綏木下令增強巴格达的城墙，布置障碍加强防守。1258年1月29日，蒙古军队开始圍攻巴格达。2月10日，穆斯台綏木带领阿拉伯帝国皇子、贵族和官员投降，阿拔斯王朝正式灭亡。[9] 巴格达陷落后，中世纪阿拉伯世界最伟大的图书馆智慧之家被蒙古军队彻底摧毁，大量宝贵文献被扔进河中，另外有数以万计的当地人民遭到蒙古军队的屠杀。在信奉景教（基督教聂斯脱里派）的脱古思可敦（蒙古西征军队的最高统帅旭烈兀之妻）的劝说下，巴格达城中的基督徒都得以幸免，旭烈兀还把哈里发的王宫送给他们做为教堂。

伊兒汗國

1256年，旭烈兀在以古波斯的巴格达为都城建立了伊儿汗国[10]。

旭烈兀之後继续向西进攻。进入阿拉伯地區，戰勝巴尔苏丹。1258年9月，大军进軍叙利亚的阿尤布王朝。叙利亚的军隊约有100,000人。蒙古分军為三做进攻。至1259年3月21日，蒙古大军围攻大马士革。於4月6日大马士革投降。蒙古帝國占领了叙利亚大部份国土。阿尤布王朝至此名存實亡，僅統治着哈馬一隅。后來旭烈兀令拜住继续进軍小亚细亚，並在克塞山戰役中戰勝魯姆蘇丹國的联军。旭烈兀又命郭侃過海，攻陷富浪国（即現今塞浦路斯）。拜占庭帝國與西欧眾國均派使者与旭烈兀會面，有意联盟。旭烈兀原本準備進軍埃及，但1259年8月，蒙哥於合州戰死，旭烈兀班師回朝，怯的不花則受旭烈兀命令，固守叙利亚。同年9月，埃及的軍隊在大馬士革南方的阿音札魯特戰役大敗蒙古軍，怯的不花陣亡，此役制止了蒙古帝國的擴張野心。蒙古帝國的第三次西征正式结束，蒙古三次西征亦正式完結。