报达教主木思塔辛得书，毅然拒绝。乃作书覆旭烈兀曰：“青年人得志甫10日，汝便自信为世界之主，以为汝之命令如同可命裁判之不可抗拒，殊不知汝所求者皆汝之所不能得。具见汝不知自西往东凡崇奉上帝信仰正教者，皆为余之臣仆，设余意有所欲，只须以古民之遗众，余将为伊兰之主，进兵突阙恢复原状，特此皋将足以变更世界之面目。故余之不欲战，而欲避免人类之灾，且不欲以余之用兵而使余之臣民遭受涂炭。余诚为蒙古可汗及旭烈兀王之友，设汝如余之散布友好种子，则余之城池于汝固无碍焉！愿汝遵守和平之途而还呼拉商。”遣使奉书诣蒙古军营。而蒙古使者于归途中，为巴格达城外民众所诅咒。旭烈兀闻其使者受辱，甚怒。及见木思塔辛覆书，更怒。乃遣其来使归，而告之曰：“汝主既不降附，往告其备战可也。”二、木思塔辛议战并作书慑吓旭烈兀：木思塔辛既见旭烈兀迫其宣战，乃集重臣，议退敌之策；会议间，意见纷歧，和战参半，而木思塔辛亦莫能执一。初主和，续又主战。而其结论，亦甚空洞而不切实际，云：“蒙古人不过以虚声夺人，必不敢以兵至。设其敢于攻击君临上邦之黑衣大食朝，是无异自速其亡。”大将军苏黎曼沙，独不以为然，尝对众曰：“教主若再不自强，吾人无论贫富贵贱，将同遭诛戳。不如乘此未受敌之前，征调一军往袭敌军，或不胜，死亦有名”。木思塔辛闻其言，胆为之一壮。乃命相征军，以付苏黎曼沙统率。然其相木矛代丁谟罕默德伊宾阿勒迦密坚欲主和，且因事素怨其敌主，故命征兵使者，迁延其事。（按西洋史家谓阿勒迦密已通于旭烈兀，且曾劝旭烈兀进攻报达。）逾5月兵始集。巴格达城内集军七万，其他各地为数亦众，皆统于大将军苏黎曼沙，但因为时过迟，袭击计划遂不果行。且木思塔辛吝啬，债欠军队薪饷，由是士气低沉，缺乏斗志。当报达征兵备战之际，木思塔辛复作恫吓信致旭烈兀，期以此退敌。其书曰：“从来攻黑衣大食都城之各国君主，无论其国势如何之强，终必得不幸之结果。本朝根基甚固，应延存至于世界末日，此事汝或不之知，汝可询熟习此国之历史者，彼等必告汝。古时曾率大军进攻报达，未抵此城而身先死；其弟，亦欲进攻，然为朝之捕送巴格达。虽自埃及侵入巴格达，拘守哈里发，然逾二年即为塞尔拉克朝所击杀。别一塞尔擦克朝之谟罕默德国王，曾进兵报达而败还，死于退军之际。最后花刺子模沙阿剌哀丁谟罕默德在进兵报达途中，其一部份军队，死于风霾，终因天怒而退走。设汝亦欲进攻报达，殆难逃此同样不幸之命运。”旭烈兀对此怪书并未置理，但报达备战之事，却使旭烈兀之军事行动更为积极。（多桑蒙古史四卷五章）
三、旭烈兀准备攻击：旭烈兀既知巴格达城防守力甚强，乃增调西域军队，以备进攻此城。其攻击准备中之第一要务，既为须将伊拉克伊朗间之山地，先行略取，以打开哈马丹通巴格达之大道。此道经行高山，山顶终年积雪，山中有打儿坦克堡形势险要，亦伊拉克阿拉伯之门户也。乃先遣怯的不花以骑兵一队往袭取之。
四，旭烈兀进覃报逮：初蒙哥皇帝命星者胡撒木丁从行于西征军，使卜进兵结营吉凶之事；至是旭烈兀以进攻报达之事询之。胡撒木丁答曰：“观星象不宜攻取，前此进兵报达之人，皆失其位而忘其身。
设王不信余言，必欲进兵，则将见灾难之至：（一）战马皆死而军中有疫。（二）日不出。（三）雨不降。（四）风霾地震扰乱全球。（五）年岁必荒。（六）同年皇帝死。”旭烈兀命其笔锋之，设在一定期间内预言不应，则将其处死。（按此后在公元1262年1月23日胡撒木丁伏诛。）而佛教博士及诸蒙古统将皆主张进兵，旭烈兀从之。（新元史，卷二百五十六，外国传报达）（多桑蒙古史，四卷五章）
旭烈兀决策既定、途令诸军并进：其军队区分如下：
1.右翼军：命贝住元帅率其部在毛夕里渡底格里斯河，自报达西北进攻，在巴格达城西附近，与不花帖木耳，速浑察所统之军合。是为右翼军。复以巴剌寒、秃塔儿、忽里诸宗王将所率之军以从。指挥官为贝住元帅。（按此军兵力应在五万人左右）。
2.左翼军：命怯的不花，忽都孙统左翼军。自报达东南罗耳之地进攻。
3.中央军：旭烈兀自将中军，从开尔曼沙、火勒完一道进攻。统将库喀伊而喀、乌鲁克圃（Ouroudoc）阿儿浑、哈剌海，蓝波斯之诸王贵人官吏皆从，诸藩国亦多遣王子等率军前来助战。
旭烈兀留其家属辎重于哈马丹附近，使哈察克守之。
旭烈兀部署既定，于公元1257年11月间，命令三军，同时向巴格达城前进。
五、蒙古军进迫巴格达城：旭烈兀统中央军，自哈马丹出发，首残破开尔曼沙，一面搜集情报，一面召集右翼军诸宗王及贝住元帅，协定攻击实施计划。
12月18日，旭烈兀率军进至火勒完，将纵队稍事集结。此时怯的不花已占有罗耳之地大部份；而右翼军，已在塔克利特附近之底格里斯河渡河。该地居民都避兵进入巴格达城，情形恐怖纷乱。
六、报达军逆袭：当蒙古军在外线，由三方面向巴格达城作向心运动时，报达教主遣副掌印官艾伯格偕统将费度丁，率军万二千人，驻守体格里斯河东之火勒完道上。该军侦知蒙古兵已出现于河西，乃渡水，攻击贝住元帅之前锋速浑察军于安八儿，时公元1258年1月16日也。辽潭察乃率军退至小体格里斯河附近与其大军会合。费度丁老于军事。不欲轻追：艾伯格则欲乘其无援时袭之，促费度丁进击。比追至朵者勒附近，蒙古军亦闻。遂交战。战至晚，胜负未决。两军相持澈夜，蒙古军乘夜决堤，致报达军营后方之平原，尽为水淹没。次日蒙古军进攻，报达军尽覆；费度丁亦战死。仅艾伯格只身遁回巴格达城。
七、巴格达之合围：木思塔辛见艾伯格惨败逃跑，乃亟命修缮城墙戍楼，沿街布置障碍，并征集全城居民参与国都之保卫。然蒙古军贝住之前锋统将三人已进占巴格达城河西之附郭。怯的不花军已进抵撤儿撤儿，旭烈兀在1月18日已将中央军集结在城东。
蒙古军既合围，乃在河之两岸筑垒，垒外掘壕向城，一昼夜工业，并取砖筑座，置炮机，炮石、大油瓶于其上，以备攻击。此时各军之攻击准备位置，概如下述：
1.旭烈兀营于阿只迷门外。
2.库喀伊而喀营于克勒瓦的门外。
3.忽里，巴刺寒，秃塔儿，失烈门、乌鲁克图等营于苏克算端门外。
4.不花帖木耳营于南面。
5.贝住、速浑察营于西面。
1月30日，旭烈兀下令诸军同时进攻，阿只迷门之戍楼最低，一部为礮石所毁。
八、木思塔辛洽降：阿只迷门上戍楼，既部份毁于礮石，木思塔辛知事已急：乃遣其丞相借幸臣及大主教等，齐赔物使蒙古营，谒：“今谨使丞相至，乞如前约。”旭烈兀答曰：“此我在哈马丹时提出之条件，现巳报达都门，除丞相外，应遣大将军偕掌印官惧来。”次日，丞相偕内政部长官及居民代表至蒙古军营。旭烈兀拒而不见。
九、木思塔辛出降：旭烈兀命令诸军继续攻城，2月1日卜阿只迷门上戍楼，全被击毁：诸军进攻，夜以继日，情形至为激烈。旦以矢转害射入城中，对法官、律士、司教，阿里族人，皆许以不死。（按丞相阿勒迦密为阿里派之热烈信徒，故旭烈兀以此害离板之。）巴格达城郊缺石，乃伐椰树以代礮石。2月5日，中央军在阿只迷门附近登城；而术赤诸孙亦于是夜攻占苏克算端门；于是蒙古军尽据城之东壁。旭烈兀为防城中人逸出，乃在城上筑土垒，设礮机、在体格里斯河上，列兵船巡逻于巴格达城之上下流。报达掌印官曾企图从水上逃逸，结果舟人尽被击毙；不得已，仍退还城内。至是木思塔辛见倩势危殆，不能不降，然仍图拖延。屡遣吏及其子出城纳款求免，但均为旭烈兀所拒。
2月7日，旭烈兀命：“苏黎曼沙偕掌印官，二人出见。木思塔辛来否听之。”二人不得已乃去，又遣其还，挈其所属诸官并出。会旭烈兀帐下有名欣都者，为流矢伤目，旭烈兀乃命亟攻下其兹。
2月八日，杀副掌印官艾伯格，并大将军苏黎曼沙及其家属七百人悉杀之。攻城愈急。
2月10日，木思塔辛，知事已不济，遂挈其三子：奥都故合门、阿合马，木八刺，及阿里族人、教长、法官，贵人等三千人出降。旭烈兀礼接之，致寒暄后，命其传谕城中诸民出城，俾籍其人数。
2月13日，蒙古军入城，开始杀掠，焚庐舍。惟基督教徒及外国人得免。
十、黑衣大食王朝灭亡：2月15日，旭烈兀入城，大宴诺将于巴格达宫中，召木思塔辛至。语曰：“君为主人，我为客，将何以享我？”木思塔辛惟战傈，不复识其宝藏之锁钥，乃破锁出衣二千袭，金底纳（按底纳币名）
一万，暨宝石无数以献。旭烈兀曰：“此为可见之宝货，不难觅取之，只可犒吾从者。应出尔伏藏之物。”木思塔辛指示宫庭一处，命人掘之，见一池，满藏金银，每锭各重一百两，宫厨之内金银食器无数，蒙古军视之如铜锡焉。
旭烈兀旋命人籍其后宫，得宫嫔女奴七百人，宦者千名，木思塔辛求将此种未见日光之妇女什之。旭烈兀许留百名，木思塔辛乃选其亲属，而挈之去。
旭烈兀至夜还营，命速潭察徙木思塔辛宝藏于城外，于是黑衣大食五百年之蓄积，遂陈列于旭烈兀营帐之四周焉。当木思塔辛献其宝藏以后，旭烈兀命以盘满盛黄金，置于木思塔辛前，命之食。木思塔辛曰：“金不可食。”旭烈兀曰：“何故不以金散给尔军，乃自守之？何以不将此铁门，镕为节镞？若然，汝将可进至阿母河。与我争渡矣！”木思塔辛曰：“是天意也。”旭烈兀曰：“今日之事，亦天意也！”巴格达城中之烧杀，延续凡7日，回教堂多毁于火，居民遣代表三人乞免；旭烈兀以城既属己，乃命人止杀。
计死者八十万人。
2月20日。旭烈兀遣将平未靖之地，并命人召木思塔辛。木思塔辛知不免，欲求救于其相阿勒迦密。阿勒迦密答曰：“余髯长，安能为力？”缘当初阿勒迦密劝木思塔辛主和时，副掌印官艾伯格曾力阻之，并讥其髯长见短。木思塔辛未用其意。至此，木思塔辛知事已无望，乃决就死。请先沐浴，于是旭烈兀置木思塔辛及其长子并宦者五人于囊中，驱马践之，至死而止。盖蒙古人杀君主亲王不使见血也。越日，杀木思塔辛随从诸人。22日，杀木思塔辛之次子，及黑衣大食朝之诸宗室，惟木思塔辛之幼子获免，后娶蒙古女，生二子焉。黑衣大食王朝，计传三十七代，五百零三年，至此灭亡。
三、继续西征及回军
报达既灭，蒙古兵又西行千里，进至天方（即阿拉伯），又攻下一百八十五座城池，降巴尔苏丹。旭烈兀再进兵至纹利亚时为元宪宗九年（公元1259），分军三路进攻其都城大马土革不曾攻下，乃折而北走小亚细亚，又击败巴尔干诸国之联军。旭烈兀复命郭侃渡海，陷富浪国，地中海诸国，为之震动。东罗马朝廷与西欧之耶稣教国家，纷纷遣便与旭烈兀连络，欲与联盟，共讨回教国家。旭烈兀所率大军，进至亚细西南端之地时，犹欲进攻埃及。正在此时，突然得到蒙哥大汗（宪宗）去世消息，乃命怯的不花镇守叙利亚，自行撤兵东归，时为宪宗九年冬也。