1257年九月，旭烈兀向报达派遣使臣，以自己的胜利和军队战斗力强大相威胁，要求哈里发毁掉防御工事，投降并亲自去朝见他，遭到哈里发的拒绝。于是旭烈兀毅然决定出征报达。他命驻在鲁木的拜住率领其军队为右翼，自毛夕里（今伊拉克摩苏尔）向底格里斯河推进，在指定的时间到达报达的西面；术赤的孙子不勒合、秃塔儿、忽里等宗王和不花帖木儿等也从杩椤答而进军与拜住的右翼会合；怯的不花等由西模娘进军，为左翼；旭烈兀自统中军由哈马丹向报达进军。在进军途中，旭烈兀依然遣使谕降，而木思塔昔木以蒙古退兵为出降条件。蒙古军继续前进，在1258年初，三路军陆续到达指定地点。哈里发的军队出城迎战，蒙古右翼军决堤放水，淹没了哈里发军后方的草原，击败了他的军队，一万多人被杀，无数人落水和陷入淤泥之中，只有少数人逃归。蒙古军到达报达城下，驻于底格里斯河畔。同时，怯的不花的左翼和旭烈兀的中军也相继赶到。
一月二十九日，双方开始交锋，战斗激烈地进行了六昼夜，旭烈兀一方面指挥攻城，一方面将诏敕射入城内，表明饶恕伊斯兰教法官、学者、司教、阿里后裔、也里可温（基督教徒）和一切不进行抵抗的人。二月初，报达东面城墙被攻破。同时，蒙古军又在河上架桥。在船上安放石炮，狙击那些企图乘船逃跑的人。哈里发在无力抵抗的情况下，派遣他的儿子和一些官员出城请降，遭到拒绝。十日，哈里发本人率领他的三个儿子、三千圣裔（赛夷）、教长、伊斯兰教法官、达官贵人和大臣们出城请降，旭烈兀命向城里人发布命令，让他们放下武器出城，当人们放下武器走出来时，却全部被杀。
旭烈兀进城，在哈里发的宫殿举行庆祝大会，将哈里发府库中地面上的财宝赏赐给异密们和在场的人，并挖出了他埋藏在宫中水池下面的大量赤金。然后，下令对哈里发的后宫进行统计，应哈里发的请求，将七百名后妃中的一百名近属和亲人留给了他，没收了哈里发的全部财产，使阿拔斯王朝“六百年间聚集起来的一切东西，像群山般地堆集在汗帐的周围”⑧。哈里发木思塔昔木获准在完成法定的净洗后被处死，阿拔斯家族成员只有哈里发的幼子八剌沙得到赦免，被赐与完者哈敦（旭烈兀的后妃，斡亦剌部脱劣勒赤驸写与成吉思汗的女儿扯扯干所生），并娶一个蒙古女子为妻。其余凡被查出的一个也没有被宽恕。立国五百余年的阿拔斯王朝的历史结束了。旭烈兀指派额里该那颜和合剌不海率领三千蒙古兵进驻报达，恢复秩序和重建市场。
古代风景画鉴赏攻占报达后，蒙古军又继续攻取了其周围地区。旭烈兀则选择帖必力思为驻地，将从报达、亦思马因派诸堡、鲁木、格鲁吉亚、亚美尼亚、罗耳人和曲儿忒人处掠夺的珍、宝、财物送往阿塞拜疆，在帖必力思建造了一座坚固、壮丽的城堡，以储存这些珍宝，并将其中的一部分送给大汗蒙哥，同时向他报告了得胜的喜讯和下一步进攻叙利亚、密昔儿（埃及）的决定。
由于毛夕里算端巴忒剌丁·鲁鲁恭顺，他得以觐见旭烈兀并受到礼遇，按照后者的要求，他将自己的儿子篾力撒里黑送往旭烈兀处，同蒙古军一起去征服叙利亚，旭烈兀将算端札兰丁的一个女儿赐给他为妻。鲁木算端亦咱丁则因曾与拜住厮杀过而心怀忧虑，在觐见之前，“他吩咐缝制一双漂亮的王靴，在这双靴子上画了他的面貌。在呈献礼物时，他把这双靴子交给了君王（旭烈兀）。当君王的目光落到画像上时，算端叩头说：“我期望君主的无比幸福的脚抬举奴才的头。”⑨于是他得到了旭烈兀和脱忽思哈敦的怜悯和饶恕。同时，作为征服者，旭烈兀开始着手恢复被征服地区的秩序，还命火者纳昔剌丁建造了一座天文台。
在旭烈兀进军报达时，哈列卜（今叙利亚阿勒颇）算端就向他送去礼物，表示了归顺的意图，引起了叙利亚算端纳昔儿的猜疑，于是他逃到旭烈兀处。早已有意进军叙利亚的旭烈兀更加紧了部署。在安排好新近征服地区的政治、军事事务后，旭烈兀开始向叙利亚用兵。他以怯的不花为先锋，失克秃儿、拜住为右翼，孙札黑等为左翼，仍然自率中军，于1259年九月向叙利亚进发。
旭烈兀自帖必力思出发，经阿黑忒剌、迪亚别克儿（今土耳其迪亚巴克儿），一路西进，渡过幼发拉底河，围攻哈列卜，用七天的时间攻破城门，又与城内守军激战四十昼夜，终于占领了这座城市，俘虏了许多工匠，夺得了无数战利品。在任命了政治首脑和军事长官后，他离开了那里。此后，他以招降和军事进攻的方式占领了叙利亚的大部分地区，并向大马士革进兵。算端纳昔儿弃大马士革逃往密昔儿（埃及）。为避免遭到杀戮，大马士革的“所有达官贵人们便带着各种礼物和城门钥匙去觐见至尊（旭烈兀）表示归顺，交出了城”。蒙古军未经围攻和作战便进了城。城民也得到了宽恕。算端纳昔儿发觉密昔儿算端并不是可靠的庇护者，于是又展转逃往巴勒哈，在遭到怯的不花围攻时，他出堡投降，旭烈兀答应在攻占密昔儿时，让他继续当叙利亚的长官。这时旭烈兀得到了蒙哥的死讯，他将叙利亚的事情交给怯的不花后，自己则踏上归途。
旭烈兀返回时，派遣了一个由数十人组成的庞大使团前往密昔儿，向他们传旨说：“伟大的上帝选择了成吉思汗及其家族，把地上各地区一下子赐给了我们。正如所有人都应知道的，凡是拒绝归顺的人就要连同其妻子、儿女、族人、奴隶和城市一块消灭，而关于我们的无边无际的大军的传闻……传遍四方。因此，如果你归顺我们的至尊，你就纳贡、觐见，请求（给你）派军事长官，否则就准备作战。”
纳昔儿算端忽都思召集群臣商讨对策，他手下的士兵多是从算端札兰丁的军队中溃逃出来的，他们从阿黑剌忒逃往叙利亚，当旭烈兀进军叙利亚时，他们又逃到了埃及。此时，他们照例不敢作战，而忽都思却决定抵抗，他同首要异密奔都黑答儿商量，杀死了蒙古使者，突袭了蒙古军的先头部队，将他们赶到了阿昔河岸边。怯的不花前往援助，中了密昔儿军队的埋伏，力战后为忽都思军队所俘，被杀。于是埃及王奔都黑答儿进行了反击，蒙古军退回到鲁木。叙利亚全境又为埃及所有。
这时，成吉思汗黄金家族内部矛盾激化，东部爆发了忽必烈与幼弟阿里不哥为争夺汗位而进行的战争，西部也爆发了拔都的继承人别儿哥与旭烈兀为争夺高加索地区进行的战争。
1265年八月，别儿哥以旭烈兀“毁灭了木速蛮（伊斯兰教徒）的所有城市，打倒了所有木速蛮君王家族，不分敌友，未经亲族商议就消灭了哈里发”为由，派遣那海率军三万作为先头部队向旭烈兀所在地进军，旭烈兀则以失烈门为先锋，同撒马合儿那颜、阿八台那颜等前往迎击，那海战败。1264年，忽必烈封旭烈兀为伊利汗，统治阿姆河以西诸地，伊利汗国正式形成。它的疆域东起阿姆河，西至地中海，北起高加索，南抵阿剌伯海、波斯湾和北非的部分地区。旭烈兀将都城设在帖必力思，将阿剌答黑和报达分别作为夏冬营地。他把伊拉克、呼罗珊、杩椤答而至阿姆河口的广大地区赐给了长子阿八哈，把阿儿兰、阿塞拜疆地区赐给了第三子玉疏木忒，将迪牙儿剌必至幼发拉底河地区交给了异密、速勒都思部人秃答温，把起儿漫交给了秃儿坚哈敦，任命苫思丁·马合谋·志费尼为全国撒希卜——底万（宰相兼财政大臣）的官职，赐与他权力，让他全权决定、主宰、安排和掌管国事。1265年，旭烈兀死，长子阿八哈继位。
忽必烈与阿里不哥争夺大汗继承权时，各自都声称得到了旭烈兀的支持，忽必烈抢先一步向旭烈兀和阿鲁忽处（察合台之孙）遣使，宣布“从质浑河岸到密昔儿的大门，蒙古军队和大食人地区，应由你旭烈兀掌管，要好好防守，以博取我们祖先的美名。从阿勒台的彼方直到质浑河，可让阿鲁忽防守，并掌管兀鲁思和各部落”。这一决定换取了旭烈兀对忽必烈的支持，旭烈兀也因而得到了对伊朗、伊拉克地区的统治权。忽必烈战胜阿里不哥后，将都城定在燕京，将中原汉地作为统治重点，明显削弱了对西道诸王兀鲁思的控制。因此，伊利汗国自建立之日起，就拥有实际上的独立地位。伊利汗国与元朝关系一直很密切，双方使节往来频繁，贡献、赏赐不断。它的君主由国内的宗王、大臣推举，并以得到元朝大汗的册封为合法。
第六任统治者合赞汗时，伊利汗国进入强盛时期。合赞汗死后，各地长官的叛乱和诸王的争权斗争，使汗国内战不息，陷入封建割据的混乱之中。术赤的后裔金帐汗国的月即别（1312～1342在位）不断与埃及算端纳昔儿结盟，共同进攻伊利汗国。河中的统治者帖木儿（跛帖木儿）也乘机进兵，1388年，占领波斯，伊利汗国灭亡。
注释
①《史集》第二卷第二部分《窝阔台合罕纪》（一）。绰儿马浑，又译为绰儿马罕、绰儿马汗，雪你惕部人，曾为成吉思汗的豁儿赤（箭简士）。
八思哈，波斯一阿拉伯语称“舍黑捏”、“失黑捏”，为“具有警察职能的各城长官”，“对被征服地区的贡赋和居民进行登记的军事长官，汗的代表”。参见（史集》第二卷第二部分《呼罗珊蒙古诸异密传》注③、④。
②《世界征服者史》下册XXⅥ，《成帖木儿和他对呼罗珊及答而的治理》。
③阿剌模特意为鹰巢，亦思马因派教徒的主要城堡之一，位于伊朗北部可疾云（加兹温）北面的鲁忒巴儿，住着亦思马因（阿撒辛）教派的首领。参见《史集》第一卷第二分册，第189页注⑤。
④关于城堡数目，诸文献记载不一，有一百个、一百二十八个和三百六十个等不同记录，参见《元史·郭侃传》、《史集》、刘郁《西使记》。
⑤跟随旭烈兀出征的有其幼弟雪别台（孙台），宗王代表昔班（术赤子）的儿子八剌海，拔都的代表秃解儿斡兀立、忽里，察合台的代表台古解儿斡兀立，扯扯干别吉（成吉思汗之女）的代表不花帖木儿和一支斡亦剌部兵以及从四方的驸马、异密和大那颜那里调集的一队将官等。
⑥《史集》第三卷《旭烈兀传》第二部分。忽希思丹，山国，为从你沙不儿地方沿今阿富汗边界向南伸延的地区，其首镇是今伊朗霍腊散省比尔兼德。
⑦《世界征服者史》第三部Ⅶ，《世界国王旭烈兀进兵攻取异端的诸堡》。
⑧⑨《史集》第三卷《旭烈兀传》第二部分。
《史集》第二卷《成吉思汗之子拖雷汗之子忽必烈合罕》第二部分。