据《出使蒙古记》所载，蒙哥汗继位后，曾有400名阿昔新人，化妆进入蒙古汗国境内，准备阴谋刺杀蒙哥汗。为此，蒙哥汗决定派其弟旭烈兀率大军前去征讨。大军出发之前，封禁了从别失八里（今新疆维吉尔萨尔护堡子）到呼罗珊（今阿母河以南，兴都库什山脉以北地区）、格鲁吉亚的所有牧场和草地，不准任何人在这一带打猎，并在深流巨川上搭起桥梁。由各地百姓每人交出1塔合面粉和1皮囊酒作为军粮。蒙哥汗诏谕旭烈兀一切事情均要遵守成吉思汗时期颁布的法令，对反抗者要坚决镇压，凡顺从者要赐予恩惠；并命令旭烈兀摧毁从忽希思丹到呼罗珊筑起的堡塞。1252年8月，怯的不花率领先头部队12000人出发。次年3月，渡过阿姆河，向忽希思丹发动进攻，占领其大部分地区。5月开始围攻作为亦思马恩派的据点之一的吉儿迭苦黑堡，用了两年时间将其攻克。就这样轰轰烈烈的旭烈兀西征拉开了序幕。
其实，宪宗元年（1251），蒙哥即汗继位后，就遵奉祖父成吉思汗遗训，决定再一次拓展疆土，开藩建汗。这一时期，在波斯境内尚有两个国家保持独立：一是立国于马三德兰地区（今伊朗北部马赞德兰省）的刺客派之木刺夷国；一是建都巴格达的黑衣大食国（报达国）。其西还有叙利亚国。此三国彼此不相声援，孤立存在。其中木刺夷人屡劫蒙古商旅，这更给了蒙哥大汗征讨的理由。于是，蒙哥大汗为了维护蒙古汗国的权益，扩大疆土，决定远征波斯，以图在该地建立一个统一的政权。元宪宗二（1252）年至世祖中统元年（1260）蒙哥汗派其六弟旭烈兀率领十万大军进攻波斯，这也是蒙古帝国最后一次大规模的西征。
此次西征，蒙古军队又一次显示了其高超的战略、战术。亨利·利德尔哈特如此评价：“在中世纪里，战略的最好例证并不出在西方，而是来自东方。13世纪，对于西方战略的发展来说，是一个卓有成效的时代。其所以显出光辉，是因为蒙古人给欧洲的骑士们充当了教师，使他们在战略方面得到了有益的教训。蒙古人所进行的各次战争，无论在作战的规模和艺术方面，在突然性和机动性方面，还是在战略和战术上采取间接路线的行动方面，不仅不会逊色于历史上的任何战争，甚至于还要超越这些战争。”
比如说，蒙古军队有一个惯用战术是佯装退却。当遇到强敌时，蒙古军队会故意乱糟糟地撤退，显得丧失斗志，引诱敌军紧追不舍，然后趁敌人队形散乱时，突然回头痛击。运用这个战术需要部队有非常强的纪律性和战术素养。相比较之下，欧洲军队就根本做不到，因为他们一旦后退，步兵就会立刻溃散，一发不可收拾。蒙古军队的指挥通常用旗帜，偶尔用鼓点和响箭，部队调动迅捷无声，让对阵的欧洲军队摸不着头脑。
蒙古军队还有一个值得注意的战术，就是在寡不敌众、战况危急之时会全部下马，以皮制盾牌布阵，蒙古士兵们会在盾牌的后面用重弓极其精准地射杀敌人，这时蒙古士兵往往会战斗到最后一人。因为蒙古军队在波斯和叙利亚吃了几次败仗，蒙古人的这个战术才被阿拉伯人载入史册。
蒙古军队的能征善战，由此可见一斑。
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。大军一路杀伐征战，所向披靡，一直打到了叙利亚。1269年秋，旭烈兀分兵三路攻入叙利亚，次年1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。就在这个时候，同样的历史又一次上演。正如，窝阔台汗的死曾拯救了欧洲一样，蒙哥汗的死讯也阻止了旭烈兀西征的脚步。对埃及来说，可以算得上是真主显灵了。
当使者送来蒙哥的死讯后，旭烈兀率大军返回波斯，留先锋怯的不花统率两万军队继续征进。7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；9月，与蒙古军大战于阿音札鲁德。因大军东返，军力不足，怯的不花战死，蒙古军全军覆没。忽秃思乘胜占领大马士革、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。(www.xing528.com)
说来有趣，蒙古王子旭烈兀还被广大的基督徒视为救世主。旭烈兀率领的十几万大军中，来自基督教附属国的部队就有好几万人。其中，海屯亲率两万亚美尼亚铁甲骑兵打头阵，蒙古军中显要的基督徒还包括旭烈兀麾下的第一悍将怯的不花。旭烈兀的王妃脱古思可敦是忠诚的景教徒，其人精明干练，称得上是巾帼英雄，蒙哥汗对她非常赏识，多次嘱咐旭烈兀遇到大事一定要和她商量。脱古思可敦对旭烈兀的宗教政策有着举足轻重的影响。
每每旭烈兀大军宿营的时候，军中的基督教士们就支起帐篷教堂，摇响木铃，召唤教徒们前来祈祷，这已经成为大军西征途中一道特殊的风景。
旭烈兀回到波斯后，闻听其兄忽必烈已继承汗位，自己就留在了波斯建立了伊利汗国。汗国的疆土东起阿姆河，西至小亚细亚，北临钦察汗国，南至印度洋，其都城为帖必力思。
旭烈兀和他的王妃于1265年相继去世，得到百万东方基督徒的哀悼。亚美尼亚史料这样写道：“基督教的两颗巨星坠落了。”继位的阿八哈汗性情温和，志在守成，不再提起西征之事。自从1220年成吉思汗讨伐花剌子模帝国，掀起蒙古西征的滔天浪潮，历经四十年，掠地万里，灭国无数，到这时才终于退潮。
作为成吉思汗的孙子，旭烈兀有着血统身份上的天然优势，而一次次辉煌的战绩同样宣示了他无愧于成吉思汗的子孙。他将“上帝之鞭”伸向西亚，在其土地上建立了蒙古人的国家。伊利汗国尽管延续时间不长，但它的出现完全改变了西亚历史的走向。
除了伊利汗国，历史上所说的蒙古四大汗国的其他三个为钦察汗国（也称金帐汗国）、察合台汗国及窝阔台汗国。成吉思汗在世时，他高大的身影足以将所有蒙古人团结在一起；当他去世后，他的子孙们很快就相互举起了原本对付敌人的刀剑。由于贵由死后窝阔台系同拖雷系的汗位之争，加上后来的海都反叛，窝阔台汗国在14世纪初就被察合台汗国兼并了。其他三大汗国也分别在14世纪中后期和15世纪中期因汗位争夺与诸侯叛乱先后灭亡。不过，这几大汗国名义上仍受元朝的控制。就像范文澜先生说的那样：“忽必烈在汉地称汗建国时，西北的钦察、察合台、伊利三个兀鲁思（汗国）实际上已经分立，但是忽必烈和他以后的元朝皇帝，在名义上仍是蒙古大汗的继承者。各兀鲁思宗王推戴的君主，有权处理本国的大事，但须向元朝皇帝奏报。各兀鲁思汗位的继承也要得到元朝皇帝的认可。”
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