成吉思汗征服花剌子模后，在河中地区采纳牙剌瓦赤、马思忽惕的建议，进行恢复治理。西辽人成帖木儿作为术赤的代表镇守河中。阿姆河以南则由成吉思汗诸子各留一部分军队驻守，并受成帖木儿节制。但蒙古军队人少不足以控制局面，呼罗珊地区的秩序一直没有得到恢复，蒙古军不时遭到当地抵抗势力的打击。逃亡印度的札兰丁自那里返回故国，一些故官、故将又聚集在他的麾下，花剌子模的势力很可能死灰复燃。窝阔台即位后，重新安排了被征服地区的统治力量。因为“伊朗地区，骚乱还未平静，算端札兰丁仍然桀骜不驯，（窝阔台）派遣绰儿马浑那颜带着一些异密和三万骑兵去讨伐他”。同时任命成帖木儿为副统帅，“命令诸地区的长官和八思哈亲自出征”①。
逃往印度的花剌子模算端札兰丁，收集起散在当地的残部，得一万人。得知其弟该牙思丁已自立为算端，而故国却依然有很多人支持他之后，便谋划回国以图兴复。1224年，他回到起儿漫，并先后得到了泄剌失（法儿思）、亦思法杭（今伊朗亦思法罕）、剌夷（今伊朗德黑兰南）地区，在一些故官、故将的支持、拥护下，征服了一些反对者。1225年，他进军阿兰和阿哲儿拜占，进入帖必力思（桃里寺），占领谷儿只，到达第比利斯。1228年，他镇压了其弟该牙思丁（嘉泰丁）和一些藩臣的叛乱，打败了谷儿只人、阿兰人、钦察人和阿布哈兹人等的联军，巩固了在波斯西部的统治，被蒙古人灭亡的花剌子模国出现了复兴的征兆，亦思法杭和帖必力思成为这个新帝国的都城。札兰丁被暂时的胜利冲昏了头脑，又向阿黑剌忒（今土耳其东部凡湖西北阿赫们特）、鲁木（小亚细亚，塞尔柱王朝封国，都城为科尼亚）用兵，残酷的屠杀和掠夺激起了被征服地区人民的普遍愤恨，札兰丁在鲁木、阿黑刺忒联军的打击下，败于幼发拉底河上游的额尔赞章。
当札兰丁兵败势衰之际，绰儿马浑的军队也渡过了阿姆河。绰儿马浑得旨出征后，首先到达呼罗珊，对反叛势力进行镇压，但是他没能平息这一地区的叛乱，遂将呼罗珊地区的事务交给术赤的家臣成帖木儿，自己则率军进至剌夷，前去追击札兰丁。
为了抵御蒙古军的征讨，札兰丁向昔日的对手鲁木、叙利亚的算端和哈里发以及各地长官派遣急使，要求联合对抗绰儿马浑，但没有得到后者的积极响应。1230年冬绰儿马浑抵阿哲儿拜占，札兰丁被迫逃窜，1231年在土耳其东部的山中被曲儿忒（库尔德）农夫杀死。
元成宗绰儿马浑驻营于木甘草原和阿兰一带，不时遣兵攻掠阿哲儿拜占、谷儿只、土耳其东部和伊拉克北部地区，1233年，降服了帖必力恩，1236年进至谷中，梯弗利思（第比利斯）也归附了他。1239年，蒙古军进军高加索南部山区，进入阿美尼亚和鲁木。1240年，阿美尼亚王入朝大汗，窝阔台命其仍治理故地。1241年绰儿马浑死，副统帅别速惕部人拜住那颜接替了他的职务。拜住继续向鲁木、叙利亚、伊拉克等地区用兵。
当绰儿马浑到达波斯时，成帖木儿按照大汗的要求，向他提供了军队，绰儿马浑命他平定呼罗珊地区的叛乱糊留镇该地。成帖木儿采取招抚和征伐的办法平定了呼珊地区，派遣一些降服者入朝大汗，受到窝阔台的褒奖，被任命为呼罗珊和杩椤答而地区的长官。他“对呼罗珊的百姓表示仁慈，赦免了活着的人”②，他任用文官治理地方，《世界征服者史》的作者志费尼的父亲就曾被任命为撒希伯底万（财政大臣）。
1235年，成帖木儿死，先后由克烈人诺撒耳和畏吾儿人阔里吉思接管该地事务。斡亦剌部阿尔浑为阔里吉思的八思哈和那可儿。阔里吉恩以徒思为驻地，整顿秩序，规定赋税，重建经济，阿姆河以西被纳入大汗的直接控制之下。窝阔台统治后期，阔里吉思遭到成帖木儿的儿子和拔都势力的排挤，被卷入一场案件受审，窝阔台死后，他的支持者镇海也被迫离开汗廷，阔里吉思被窝阔台皇后乃马真氏所杀。阿尔浑接替他掌管了自乌浒水（阿姆河）至法儿思、谷儿只、鲁木和毛夕里（今伊拉克摩苏尔）事务，整顿了由绰儿马浑、拜住的征伐、掠夺导致的混乱。蒙哥即位后，任阿尔浑为阿姆河等处行尚书省长官，统治波斯、伊拉克、阿塞拜疆、格鲁吉亚等地区。
这时，东部伊斯兰世界中尚有杩椤答而的亦思马因派和报答（巴格达）的哈里发两支宗教势力未被征服，蒙哥在处理完大汗家族内部的争权斗争后，决定对上述尚未征服的地区用兵，这是蒙古军的第三次西征。亦思马因派是伊斯兰教十叶派的一支。创始人是十叶派第一代伊玛目阿里的后裔、第六代教长的长子亦思马因，故称亦思马因派。十一世纪末期，他们从塞尔柱突厥人手中夺取了阿剌模忒堡③，并以此为中心，在里海以南的山隘中建立了上百个城堡④，形成了一个独立的宗教国。其他宗教徒称他们为“木剌夷”，即阿拉伯语“迷途者”。
蒙哥即位后，守卫伊朗地区的拜住向他报告了亦思马因派和哈里发的暴行，伊斯兰教法官苫思丁·可疾云尼也向他反映了同样的情况，于是蒙哥决定派遣其有“帝王的气象”和“征服的实践”的弟弟旭烈兀担任了这次西征的统帅。
旭烈兀统率的军队除以前派往伊朗的绰马尔浑、拜住的军队和派往客失迷儿（克什米尔）、印度的军队外，蒙哥又决定从成吉思汗诸子、诸弟和诸侄的军队中，每十人抽出两人作为额外人员，随同他出征，各宗王都派遣了自己的代表⑤，还拨给他一支由炮手、弩手和火焰放射手组成的汉军千人队，由著名的攻城能手郭侃率领，由阿姆河行省准备军需，乃蛮人怯的不花（乞忒不花）率一万二千人为先锋。他们封锁了自和林至呼罗珊、鲁木和谷儿只间行军途中的所有草地和牧场，以保证军马通过时有较好的饲草；在河上架桥，以确保道路畅通，为大军出征做了周密的准备。
1252年八月，先锋怯的不花领兵出发，1253年三月，渡过阿姆河，着手征伐忽希思丹地区⑥。他们征服了该地区的一部分，在亦思马因派的重要据点之一吉儿迭苦黑堡下遭到顽强的抵抗，蒙古军用了两年的时间才攻下该堡。
1253年十月，旭烈兀离开自己的斡耳朵，踏上征途。他缓慢地进兵，1254年到达阿力麻里，1255年九月到达撤马耳干，驻营于迦尼——吉里草原，然后经碣石到阿姆河北岸，在那里接见了阿姆河行省和呼罗珊等地的官员，向伊朗各地的统治者发出诏敕，要求他们提供军队、武器和食品，各地算端、长官则从伊拉克、呼罗珊、阿塞拜疆、阿儿兰（今阿塞拜疆共和国北部）、设里汪（今里海西岸库拉河北部地区）和格鲁吉亚等地前来朝见旭烈兀。次年年初旭烈兀渡河，在河南的苏夫耳罕（今阿富汗北部席巴尔甘）驻冬。三月，他离开冬营地，经哈甫（属你沙不儿地区）和匝维（今伊朗霍腊散省托尔巴特海达里耶）向亦思马因派控制的秃温（今伊朗东部霍腊散省境内）进兵，平息了发生在那里的叛乱，攻下了该城并将它夷为平地。接着他到达徒思（马什哈德北）、哈不珊（哈不伤，今伊朗霍腊散库强），并着手修复蒙古人首次入侵时破坏了的城市。旭烈兀遣使要求亦思马因派教主鲁坤丁·忽儿沙毁堡投降。忽儿沙遣其弟请降，旭烈兀要求忽儿沙亲自前来，后者则有意拖延，要求缓期一年。谕降不成，1256年八月，旭烈兀决定全面出征。大军分三路进讨，左翼由怯的不花等率领自西模娘（今伊朗德黑兰省塞姆南）进；右翼由不花·帖木儿等率领自杩椤答而进，旭烈兀自将中军。出发前再次遣使招谕，忽儿沙坚持保留部分堡塞和允许他本人一年后出降，遭到旭烈兀的拒绝。大军相继攻占和捣毁了一些堡寨，十一月，包围了忽儿沙的宫府麦门底司堡，“一支多如蚂蚁的人马像蛇一样把它围了七个圈，并且设法在坚硬的岩石上驻扎。……在白天的时间里，麦门底司的人仅看见人马和旌旗，而在夜里，因为营火遍野，他们以为大地是布满星星的天空，（并且）是刀兵的世界，其中心和边际都看不分明”⑦。双方展开了激战，城内的射石机射出了一排排猛烈石头，城外的蒙古军则以射程为二千五百步的弩炮攻城。十一月十九日，在蒙古军的猛烈的攻击下，忽儿沙被迫出降。蒙古军屠杀了所有坚持抵抗的人；将府库中所余的财物作为犒赏分给了大臣和士兵，拆毁了这座坚固的堡寨。
投降的忽儿沙被安置在可疾云（今伊朗北部加兹温），旭烈兀还将一个蒙古姑娘赐与他为妻。蒙古军则以他的命令招谕尚在坚守的堡寨，对坚持抵抗的堡寨进行猛攻，拆毁并将它们全部夷为平地。后来，旭烈兀遣忽儿沙至蒙哥处效劳，忽儿沙至和林，蒙哥拒不接见，在返回波斯的途中，他被押送的士兵杀死。至此，亦思马因派宗教国灭亡。
解决了木剌夷的问题后，旭烈兀进驻可疾云。1257年三月，他又从那里向哈马丹进发作进攻报达的准备。他先遣前来朝见的拜住那颜回鲁木，拜住占领并在鲁木境内进行了杀掠。
报达的统治者是阿拔斯朝（黑衣大食，建立于750年）第三十六代哈里发木思塔昔木（穆斯塔希姆）。自十世纪以来，阿拔斯王朝逐渐衰落，当时它只保有报达周围两河流域的一部分土地，哈里发也仅保有伊斯兰教领袖和伊斯兰世界名义上的宗主地位。木思塔昔木“优柔寡断，不明事理，腐败无能，专事游乐”，掌权的将帅大臣为争权夺利而互相倾轧，统治集团内部发生了严重的内讧。同时他的统治在当地居民中也引起了广泛的不满，报达哈里发的威势已经到了末日。