西征軍很快就殺入阿拔斯王朝疆域。該朝哈裏發已傳36代508年，當時由塞爾柱人主導。1257年，旭烈兀和大將郭侃率領的軍隊抵達巴格達，向哈裏發勸降，遭拒。阿拉伯人警告蒙古人說，如果他們攻擊哈裏發的話，就將受到真主的懲罰。
蒙古人哪裏信這個。
旭烈兀先用決堤放水淹沒了哈裏發的主力軍和統帥，接著以一場精彩的圍城戰迫使哈裏發棄城出降。一場曆史上罕見的大屠殺展開了，數十萬居民死於非命，有著500年文化積累的巴格達城遭受了浩劫，哈裏發本人則被縱馬踏死。阿拉伯文化曆史名城遭受浩劫。這次屠城被認為是伊斯蘭曆史上最具破壞性的事件之一。
巴格達的陷落，讓伊斯蘭世界陷入恐慌。旭烈兀連戰連捷，在接受亞美尼亞國王以及安龍克國王的歸順後，開始攻打敘利亞。從1259年到1260年，將阿勒頗和大馬士革先後攻破，並欲南下攻打埃及。
但是此時，十幾年前發生過的一幕，再次讓蒙古帝國，甚至世界曆史改變腳步——蒙哥在南宋四川地區戰死。
蒙哥的死，讓諸兄弟陷入皇位爭奪中。奪位戰爭進行了五年，從1259年到1264年，最後忽必烈打敗了同父同母的阿裏不哥，奪取汗位。旭烈兀便決定不再東歸，留駐波斯。幾年後，1264年，旭烈兀接受了元朝的冊封，成為伊兒汗。他所打下的領土，也成為蒙古帝國四大汗國中的伊兒汗國。
而此時，旭烈兀留在敘利亞的5000兵馬在埃及人的攻打下，全軍覆沒。
旭烈兀很想複仇，但此時各大汗國之間開始明爭暗鬥直至大打出手，讓其無法抽身往西。
而漸漸陷入分裂的蒙古帝國亦從此停止了對西方的征服。
蒙古三度西征後，在被征服地區建立了“四大汗國”：窩闊台汗國、欽察汗國、察合台汗國、伊兒汗國。四大汗國的統治者在血統上均出自成吉思汗“黃金家族”，彼此血脈相連，因而同奉入主中原的元朝為宗主，與元朝驛路相通。
窩闊台汗國於1225年建立，窩闊台即大汗之位後，將此封帝賜給長子貴由。主要領土為現今中國新疆、中亞一帶的西遼故土。蒙哥繼位後，對窩闊台勢力進行鎮壓及分化。忽必烈遷都北京後，窩闊台汗國拒絕歸附忽必烈。
忽必烈在位期間大行漢化政策，引起蒙古諸王公不滿。窩闊台嫡孫海都數度起兵作亂，1301年，叛軍進犯元朝，大敗。1310年，海都之子為察合台汗國所敗，遂亡。
察合台汗國建立於1227年，位於現今中國新疆、中亞一帶，係成吉思汗次子察合台封地。初領西遼舊地和阿姆河與錫爾河之間的領土。建都阿力麻裏，1310年吞並窩闊台汗國，國勢達於極盛，其疆域東起吐魯番，西至阿姆河，北到塔爾巴哈台山，南達興都庫什山。察合台汗國的對外活動，主要是與德裏蘇丹國開戰以及掠奪阿富汗，因為被重重包圍，因此軍事活動限於掠奪印度。
14世紀中期，察合台汗國分裂為東、西兩部。東察合台汗國領有窩闊台汗國舊地，以西遼的疏附為都，後進一步分裂，16世紀先後被並入明。西察合台汗國領有河中之地，以撒馬爾罕為都城，1370年被新興的帖木兒帝國所滅。
欽察汗國於1219年建立，成吉思汗生前曾將所征服的鹹海、裏海以北的廣袤的欽察草原賜給長子術赤為封地。1235年，術赤長子拔都西征羅斯和東歐，轄地廣大，東起葉尼塞河，西至多瑙河下遊，南迄高加索，北接俄羅斯。1243年西征結束，拔都以伏爾加河下遊的薩萊為都，建欽察汗國。因大汗帳色金黃，歐洲人又稱其為“金帳汗國”。
拔都後來又將鹹海東北之地分封給斡魯朵，稱“白帳汗國”；將鹹海以北、西至烏拉爾河之地封給昔班，稱“藍帳汗國”。二者皆以金帳汗國為宗主。自1219年建國到14世紀中葉的100年間為其盛世。蒙古貴族逐漸與欽察草原各遊牧部族的貴族合流，改操突厥語，轉皈依伊斯蘭教，不斷與相鄰的伊兒汗國爭奪阿塞拜疆等地，經常以大軍征討不馴服的俄羅斯王公。
1341年起，國內矛盾激化，內訌不已。在新興的帖木兒帝國以及崛起的莫斯科公國等的先後打擊下，國勢日趨衰落。15世紀時，金帳汗國分裂成喀山汗國、克裏米亞汗國、阿斯特拉罕汗國、西伯利亞汗國、大帳汗國等國家。15世紀20年代初，作為附庸國的俄羅斯從大帳汗國中獨立出來，並滅亡了大帳汗國。
伊兒汗國於1256年建立，位於高加索、伊朗、伊拉克等地，為拖雷三子旭烈兀遠征西亞所建的汗國。1264年，忽必烈大汗正式冊封旭烈兀為伊兒汗。其國東起阿姆河，西至地中海，北抵高加索，南達印度洋，首都為大不裏士。
1295年，合讚汗繼位後，全麵實行伊斯蘭化改革，將其定為國教，以爭取眾多穆斯林貴族的支持。從政治上，大力推行阿拉伯帝國的傳統體製，因此到14世紀初時，伊兒汗國的社會經濟得到加強，伊斯蘭文化也有很大發展。1304年，合讚汗去世，伊兒汗國內外局勢日趨嚴重。內有諸王爭立，權臣爭勢，內訌迭起；外有埃及王朝和欽察汗國不斷侵擾，國運日蹙，陷於分裂。1388年，被帖木兒帝國所滅。