成吉思汗次女扯扯干别吉派出自己的儿子不花帖木儿和大将阔阔亦勒该率部队作为西征军右翼。察合台汗国的台古歹儿斡兀立率军组成左翼。金帐汗国别尔哥汗也派出自己两大藩属的部队：白帐汗斡儿答之子忽里，蓝帐汗昔班之子八剌海、秃歹儿斡兀立率大军帮助。
此外，蒙哥汗还为旭烈兀准备了一支由汉人组成的炮手、弩手、火焰喷射手千人队。
各路大军陆续开拔，旭烈兀西征可以调动的军队达到15万之众。[8]
只不过，旭烈兀出发时，先头部队只有两万人，便给人错觉而已。
有了祖父和绰儿马罕当年打下的根基，旭烈兀最初的进军如外出旅游一样轻松惬意。
在阿力麻里，他受到察合台汗国统治者兀鲁忽乃监国的热情款待；在别失八里等处，行尚书省行政长官马思忽惕以及诸将军也前来拜见，赠送礼物。
两年后，大军抵达渴石（今沙赫里夏勃兹），阿姆河等处行尚书省阿儿浑及呼罗珊诸将军夹道迎接。
直到1256年，旭烈兀率大军渡过阿姆河，战斗才真正开始。
是年9月，旭烈兀大军逼近亦思马因派诸堡，并开始进攻。刺客之国虽然暗杀之技天下无双，但要明刀明枪的两军对垒，如何是蒙古大军的对手，仅凭着各堡垒的险要勉强据守。
为了避免部下伤亡，旭烈兀遣使劝谕教主鲁克赖丁•库沙毁堡投降。鲁克赖丁•库沙知道这次无法硬抗，派弟弟请降，但要求缓期一年出堡。
这样的缓兵之计自然瞒不过旭烈兀，他拒绝请降，分三路于10月同时发起进攻。首先围攻鲁克赖丁•库沙的宫府麦门底司堡。亦思马因派教徒虽然勇敢，但无法抵挡蒙古军先进的攻城武器，抵抗一个月后，鲁克赖丁•库沙被迫出降，旭烈兀下令将该城堡彻底夷平。
教主投降，其他教徒自然不再抵抗，各地城堡相继开城。旭烈兀斩草除根，将100余座城堡全被毁掉，所有亦思马因派教徒全部屠杀。之后，派兵送鲁克赖丁•库沙去蒙古帝国都城和林（今蒙古国后杭爱省额尔德尼召北）面见蒙哥汗。鲁克赖丁•库沙到和林后，蒙哥汗拒见，下令将其送回波斯，在途中，这个刺客之国末代君王被押送士兵所杀。
有很多人说亦思马因派是现代恐怖主义的创始人，对其大为挞伐。但却没有看到，亦思马因派算是伊斯兰世界的小教派，备受欺压打击，其激进和极端，很多是被逼出来的。何况其暗杀的目标，都是达官显贵，不是哈里发便是苏丹，最次也是地方总督或者将军，对蒙哥汗的刺杀也应算是反抗侵略。绝不像现在恐怖分子动不动拿老百姓开刀，看起来义正词严，不过是屠杀黎庶的小人而已。与亦思马因派相比，相差何止以道里计！
亦思马因派宗教国覆灭，西征的一大目标已经达到，旭烈兀继续向着另一个目标——阿拔斯王朝前进了。
此时的阿拔斯王朝，是第三十七代哈里发谟斯塔辛统治，虽然早已衰败，但也算是做了500年伊斯兰世界的中心，虎死余威在，对异教徒的傲慢丝毫不减。1257年9月，旭烈兀遣使至巴格达，劝告哈里发出降，谟斯塔辛回信道：你要来进攻巴格达，只会尝到失败。
劝降只是个形式，既然对方拒绝，便刀剑上见真章。11月，旭烈兀再次兵分三路杀向巴格达。
阿拔斯王朝的军队在蒙古军面前不堪一击，纷纷溃败，很快，左路军便占领了罗耳大部分地区；右路军也渡过了小达曷水(通幼发拉底河和底格里斯河之渠)。
旭烈兀率领的中路军到达额塞德城后，再次遣使召哈里发来营投降，虽然已经到了山穷水尽的地步，谟斯塔辛仍然坚持：见面可以，但蒙古必须退兵。旭烈兀大怒，下令决堤放水，巴格达城外的阿拔斯军统帅哈剌辛豁儿和1万余名士兵被淹死，副掌印官艾伯克率领残军退入城中。
随后，蒙古三路大军进抵报达城郊，将巴格达包围。为了迫使城中投降，旭烈兀在底格里斯河两岸筑堡、修渠，封锁了巴格达的水陆交通。
1258年1月30日，三路大军同时发起进攻，谟斯塔辛征集城中能战之兵7万人死守，双方反复绞杀，战况激烈。经过数日战斗，阿拔斯军损失惨重，巴格达东门又被炮石击毁，渐渐不支。
2月10日，阿拔斯军已经伤亡几尽，城破只是时间问题。谟斯塔辛无奈，只得带领儿子、官员、贵族3000余人出城投降。当初的强硬换来了残酷的惩罚，旭烈兀将哈里发家族全部处死，并纵兵大掠，阿拔斯王朝积蓄500年的奇珍异宝各种财富被抢掠一空，“一千零一夜”的巴格达人头翻滚，血流成河。
想当年，阿拔斯王朝西击拜占庭帝国，东败唐帝国，雄霸世界。都城巴格达是和君士坦丁堡、长安齐名的国际大都市。正是因为其强盛和发达，伊斯兰教在埃及、叙利亚、伊拉克、波斯、北非、中亚等地为大部分居民所接受，从而成为世界三大宗教之一。
在最后残酷景象下，这个王朝终于宣布灭亡。但他所推广的伊斯兰教却反过来征服了蒙古人——伊儿汗国、金帐汗国、察合台汗国都成为了伊斯兰国家，到了今天，当年的征服者和被征服者早已无所分别。
在历史长河当中，胜与负，又有谁说得清楚？
巴格达的陷落使伊斯兰各国震惊不已，尤其是相距最近的叙利亚更是肝胆俱裂。为了避免战祸，叙利亚苏丹纳昔儿派其王子与国相到旭烈兀行营请求臣服。
此时的旭烈兀顺风顺水，一般意义上的臣服已不能满足，他将使者遣回，要求纳昔儿纳土归降。臣服只是做儿皇帝，纳土就连儿皇帝都做不成了，纳昔儿咬紧牙关，决定抵抗。
这个结果正是旭烈兀所希望看到的，于是继续灰兵西进。1259年9月，蒙古军进入叙利亚，先后攻占美索不达米亚北部诸城，渡过幼发拉底河，包围叙利亚北部最大的城市阿勒颇。1260年1月，在激烈的炮火下，阿勒颇城陷落，守军被歼十余万。
此次大胜，使得叙利亚其余城市相继不战而降。4月，蒙古军占领叙利亚首都大马士革，毁城过半。纳昔儿逃奔埃及马木留克王朝，叙利亚全境平定。
现在，蒙古军已经站在亚洲和非洲的路口上，再往前，便要进入非洲，将蒙古帝国变成“横跨欧亚非三洲的帝国”了。为了扫除后顾之忧，旭烈兀派军扫荡小亚细亚，击败巴尔干诸国联军。同时，命汉将郭侃渡海，攻陷富浪(即塞浦路斯岛)。
然而，正当旭烈兀准备跨过西奈半岛，进入非洲的前夜，帝国的中心传来消息——蒙哥大汗在攻打南宋时去世。
作为前方统帅，又是蒙哥汗的亲弟弟，旭烈兀立即下令班师回国，只留下两万军队交给怯的不花，镇守叙利亚，并负责攻略巴勒斯坦和埃及。
由于消息不畅，旭烈兀此时还不知道忽必烈和阿里不哥已经各自称汗并大打出手，他的返回，有着明确的回国争取即位的目的。
随着他的撤军，蒙古的扩张时代随之结束，帝国的铁蹄再也没能踏上非洲。而旭烈兀还不知道，从这一刻起，蒙古帝国的分裂已经不可避免，他将永远地留在西亚，建立一个载入蒙古史册，也载入伊朗史册的伊儿汗国。
（五）懂事的弟弟
可以想象，从叙利亚班师，风尘仆仆向故乡前进的旭烈兀心中，悲伤、兴奋、焦急，种种情绪五味杂陈。
蒙哥汗对他来说，既是同父同母的大哥，又是有着提拔重用之恩的君主，在其去世时却未能见上一面，怎能不悲伤；自己此次西征，功勋卓著，以武功立国的蒙古，声望已不会比任何兄弟差，在库里台大会上，自己应该是重量级的大汗候选人，这让他如何不兴奋；然而，蒙哥汗死后，帝国的中枢会发生什么，他一无所知，又如何不焦急？！
此时的旭烈兀，归心似箭。
然而，当他进入伊朗的时候，一个消息给他当头一棒，比蒙哥汗去世更让他难以接受——他的另一位哥哥忽必烈和他最小的弟弟阿里不哥已经分别称汗，并且已经两军对垒，打得不可开交。
而作为帝国西北屏藩的金帐、察合台、窝阔台三大汗国，已经明确表示支持阿里不哥了。
统一的蒙古帝国现在已经不复存在，自己作为前方将领和前任可汗的弟弟，该如何决择？旭烈兀相当矛盾。
从感情上来说，无论是阿里不哥还是忽必烈，都是自己的亲兄弟；从法统上来说，两个兄弟都不那么名正言顺，阿里不哥没有召集所有宗王贵族召开大会，而忽必烈更是在汉地召开大会，支持他的宗王贵族更少。
何去何从？
不能排除旭烈兀就没有率兵继续东归，以自己的实力参与到纷争当中的打算，毕竟自己兵力雄厚，有这个实力。
但是，在他返回伊朗的同时，埃及马木留克王朝苏丹忽都思率领12万大军攻入叙利亚。留守叙利亚的怯的不花率军迎战，结果在艾因贾鲁一战中，2万蒙古骑兵全军覆没，怯的不花战死。埃及军乘胜进击，占领了叙利亚全境。各地区的蒙古官员被杀，留在叙利亚的一般蒙古居民退到鲁木。