公元1257年3月，驻守阿塞拜疆的拜住来到军中，旭烈兀偕同拜住等继续西征，直指黑衣大食首都巴格达。当时阿巴斯王朝哈里发漠思塔辛执政，既直接统治黑衣大食，又管辖整个伊斯兰教世界，是两河流域的强国。
公元1257年冬，旭烈兀、拜住等率军三路围攻巴格达，第二年初，三军合围，向巴格达发动总攻，蒙古军队用炮石攻打巴格达城，城门被炮火击毁。
2月，谟思塔辛哈里发率众投降，旭烈兀攻陷巴格达，蒙古军队在城中大掠七天，谟思塔辛被处死，阿巴斯王朝灭亡。旭烈兀率军继续西进，兵进叙利亚，直抵大马士革，势力深入到西南亚。由于蒙古军队被埃及军队打败，旭烈兀才被迫停止了西进，留居帖必力思，建立了伊儿汗国。
在合赞汗(1295-1304年)在位时，进行了一系列改革，1295年6月19曰，他率领将士改宗伊斯兰教，当年11月3曰即汗位，取名穆罕默德，自号素丹。此后，蒙古贵族和伊朗贵族曰益合流，伊尔汗国组建成为一个伊斯兰国家。
在合赞汗死后不久，伊尔汗国便陷入混乱，在公元1335-1378年的四十多年间，先后八个伊尔汗在争权夺利的混战中，建立了各自的封建王朝。