花刺子模算端札兰丁被消灭后，阿姆河以西至叙利亚边境大部分地区都归入蒙古统治之下，唯据有祃拶答而（今伊朗马赞德兰省）的“木刺夷国”（亦思马因派宗教王国）和报达（巴格达）的“哈里发国”（阿拔斯王朝）尚未征服。1252年，蒙哥命旭烈兀出镇波斯，并统兵征讨未服诸国，先锋元帅怯的不花率部先行。次年十月，旭烈兀从蒙古出发，1256年渡阿姆河，会同怯的不花军攻打担寒山要塞吉儿都怯堡（今伊朗damghan城西）。亦思马因国教主鲁克奴丁遣其弟请降，并被迫下今吉儿都怯守将出降，但不肯亲身来见旭烈兀。旭烈兀率军分四路并进，围攻麦门底司堡，架炮轰击，鲁克奴丁力穷出降。旭烈兀命他偷降阿刺模忒等城堡，尽毁之，即派兵将他押送到和林，蒙哥不见，命押回波斯，途中被军兵所杀。归降之亦思马因人也被蒙古军屠灭殆尽。

1257年，旭烈兀进兵报达，命波斯镇戍军统帅拜住（绰儿马罕的继任者）率其军为右翼，经毛夕里（伊拉克摩苏尔）南下合围。先遣使至报达谕降，遭到哈里发谟斯塔辛的傲慢拒绝，使臣亦受辱逐回。1258年一月，蒙古诸军抵报达，四面同时猛攻，报达东门先被炮石击毁，官民逃出城者尽被屠杀。二月初，谟斯塔辛遣其子及官员至旭烈兀营求降，但为时已晚，蒙古军继续攻城，谟斯塔辛不得已亲率诸子及大臣们出城投降。蒙古军入城后，肆行焚掠、屠杀十余日，据载，报达军民在蒙古军攻城和城陷后的烧杀中，死难者达八十万人。不久，哈里发谟斯塔辛父子也被处死。旭烈兀从报达回驻哈马丹，其年秋，移驻蔑刺哈（今伊朗东阿塞拜疆马腊格）和桃里寺（今伊朗东阿塞拜疆大不里士），后来即建都于此。他遣使向蒙哥报捷，献上一部分战利品，其余金银财宝运储于蔑刺哈附近乌米亚湖旁新建的城堡中。

1269年秋，旭烈兀分兵三路攻入叙利亚，次年一月，破阿勒颇城，叙利亚算端纳昔儿弃大马士革，打算逃亡密昔儿（埃及），后被蒙古军捕获。大马士革长官献城投降。这时，使者送来蒙哥的死讯，旭烈兀率军回波斯，留先锋怯的不花统率二万军队继续征进。七月，密昔儿马木鲁克王朝算端忽秃思（原为大臣，篡位自立），杀蒙古谕降使者，进兵巴勒斯坦；九月，与蒙古军大战于阿音札鲁德，怯的不花战死，蒙古军全军覆没。密昔儿乘胜占领大马士革。阿勒颇和叙利亚全境，杀蒙古所置官吏，蒙古西征的势头被阻止了。