宪宗七年（1257年）九月二十一日，旭烈兀率军向报达（今伊拉克）进攻。报达国教主木思塔辛宣战，立即召集重臣，研究抵击方略，决计组织七万军队迎战。旭烈兀首先派怯的不花率领骑兵，进入木剌夷和报达之间的山地，打开从哈马丹通往巴格达通道，接着，分三路进攻报达：右军，由拜住率领，从毛夕里（在今伊拉克北部边境）渡底格里斯河，向报达西北进攻；左军，由怯的不花、忽都孙率领，向报达东南罗耳之地进攻；中军，由旭烈兀亲自率领，向开尔曼沙（今伊朗赫塔兰，原克尔曼长）、火勒完（今巴格达之东北）一道进攻。
十一月间，三军同时向报达国首都巴格达城前进。旭烈兀中军首先攻破开尔曼沙，于十二月十八日，进至火勒完。同时，怯的不花率左军占领了罗耳之地大部；拜住率右军在塔克利特（今伊拉克巴格达西北萨拉赫丁省提克里特）附近渡过了底格里斯河，与报达将领费度丁所部一万两千余相遇，拜住乘夜决堤，用水淹没报达军营后方之平原，后向费度丁军发起进攻，全歼费度丁军。木思塔辛见费度丁军败，立即集兵七万，并下令修缮巴格达城墙戍楼，沿街布置障碍。此时，拜住右军已进占巴格达城河西之附郭；怯的不花左军已进抵撤儿撤儿；旭烈兀中军于八年正月十八日，已集结于巴格达城东。如此，对报达首都巴格达构成合围之势，三十日诸军同时开始进攻。各军夜以继日不断进攻，战斗极为激烈。二月初十，木思塔辛知道败局已无法挽救，带领其三个儿子和官员、贵人三千余，走出巴格达城，向旭烈兀投降。十三日，旭烈兀大军进入巴格达城。报达国至此灭亡。
灭报达后，蒙军乘胜向西又扩展了千余里。进至天方（即阿拉伯），又攻克、招降一百八十五座城池。宋理宗开庆元年（1259年），旭烈兀率军进至叙利亚，分军三路向都城大马士革进攻。但未能攻下，只好移师北进，大败巴尔干诸国部队组成的联军。其间，旭烈兀让汉人、火炮专家郭侃率领一支部队，渡海进攻富浪国（即塞浦路斯岛），这引起了地中海诸国的恐慌与不安。
叙利亚人因报达的陷落而大为惊恐。这时叙利亚的大部分地区在艾育伯朝统治之下，富浪人占据了沿海狭长地带，而分为两国：北部为安都公国——兼辖特利波里伯国，南部为耶路撒冷王国——耶路撒冷城早已为伊斯兰国家占领，实际上此时的耶路撒冷王国已分为阿迦、提尔、雅法三个小国。蒙古攻陷报达时，因旭烈兀之妻脱古思合敦、先锋怯的不花都信奉聂思脱里教，所以对城中的基督教徒加以保护。基督教世界为了重新夺取“圣地”耶路撒冷，更加相信可以联合蒙古人对付伊斯兰教国。安都公博希蒙六世是小阿美尼亚王海屯一世之婿，遂追随海屯之后与蒙古结盟，并率领军队与蒙古军共同进攻叙利亚。
叙利亚国王纳昔儿见蒙古灭哈里发后，有进取叙利亚之势，立即派使者前去表示愿意归降。旭烈兀决心征服叙利亚、埃及，纳昔儿表示的臣服条件无法满足他的要求，于是遣归来人，并致书纳昔儿，令其纳土归降。宋开庆元年（1259年）九月，旭烈兀命怯的不花为先锋，速浑察为左翼，拜住为右翼，自己统领中军，向叙利亚进兵。首先攻下美索不达米亚北部的曲牙别克儿地诸城，进抵幼发拉底河，攻下鲁哈等城，于是渡河进向阿勒波。纳昔儿在大马士革北面集结军队，与诸将商议对策，其国相力主降蒙，而将领主张抵抗。将相发生冲突，而纳昔儿怯懦惧怕，慌忙将妻子儿女及宝藏送往埃及，于是军队军心涣散，人民四处逃散。宋景定元年（1260年）正月十八日，旭烈兀亲统大军包围阿勒波，架炮攻城。二十四日，城被攻破，然后按惯例继续烧杀掳掠，历时六日，旭烈兀才下令停止。小阿美尼亚王海屯纵火把城中的小礼拜寺烧毁，而基督教堂则丝毫未动。旭烈兀将艾育伯朝所侵据的小阿美尼亚和安都公国土地城寨给还二王，以示对他们从征功劳的奖励。
阿勒波失陷后，叙利亚诸城大多不战而降。纳昔儿慌忙放弃大马士革城向埃及逃去，大马士革长官献城投降。三月一日，怯的不花率一队蒙古军进驻大马士革城，一部分军民拒绝投降，退入内城坚守，蒙古军发炮猛攻，至四月六日才占领内城。纳昔儿本想投奔埃及国王忽秃思，但得知忽秃思招诱其随从军队，图谋害己，因此急忙逃走，辗转逃至巴勒哈，被蒙古军捕获。
怯的不花的部队进入大马士革城后，毁其戍楼过半，并将其一切战具全部销毁。至此，历时两个月的大马士革之战胜利结束，旭烈兀亦全部占领叙利亚。之后旭烈兀军继续进攻小亚细亚（今土耳其小亚细亚半岛），又击败巴尔干诸国之联军。旭烈兀又命郭侃渡海，陷富浪国（即塞浦路斯岛），使地中海诸国大为震动。东罗马朝廷和西欧之耶稣教国家，亦纷纷派来使者，与旭烈兀联络，欲与联盟，共讨回教国家。旭烈兀进至亚洲西南端之地后，准备进攻埃及。
这时，蒙哥死讯传来，旭烈兀决定班师。命怯的不花统率蒙古军两万人，继续攻略巴勒斯坦、叙利亚诸地，自己率领其余军队回到波斯。埃及国王忽秃思原为玛木鲁克朝的大臣，但却在宋开庆元年（1259年）时篡夺了王位，为此许多将领都不服气。此时叙利亚使者正在开罗求援，忽秃思于是声称蒙古军已入叙利亚，国家万分危急，且国王尚幼，自己是暂且摄位以抵御外敌，这样逐渐稳定了军心。不久，蒙古遣使臣到开罗谕降，忽秃思杀害蒙古使臣，决定出兵抵抗。宋景定元年（1260年）七月，埃及进兵巴勒斯坦。九月三日，埃及军队进至哲连附近的阿音·札鲁德，与蒙古军相遇并展开厮杀。开始时蒙军取得了一些胜利，但后来却遭到埋伏，统帅怯的不花战死，蒙古军全军覆灭。埃及军乘胜占领大马士革、阿勒波等城，把蒙古所置官吏杀死，于是埃及占有了叙利亚全境直至幼发拉底河的广大地区。
公元1260年，忽必烈即汗位，把波斯赐予旭烈兀，旭烈兀在自己的封地内建立了伊利汗国。伊利汗国东起阿姆河，西迄小亚细亚，南至印度洋，北接钦察汗国，定都帖必力思，以报达作为陪都。
经过成吉思汗、拔都、旭烈兀的三次西征，蒙古终于建立起地跨欧亚大陆的四大汗国：窝阔台汗国、察合台汗国、钦察汗国及伊利汗国。四大汗国名义上归属元朝皇帝，而钦察汗国和伊利汗国实际上成为了独立国家。
蒙哥大汗逝世后，他的兄弟间又上演一幕幕为了争夺汗位手足相残的惨剧。忽必烈，接受汉臣的建议，先声夺人，首先登上汗位，从而操控大局。其弟阿里不哥最终被打败，成王败寇。