背景
自从蒙古帝国消灭了花刺子模，征服了东欧各国之后，蒙古帝国的势力范围已扩展到中亚和东欧。1251年，蒙哥继承帝位后，为了扩展领土，遵照成吉思汗拓展疆土，开藩建汗的遗愿，展开第三次西征。因蒙哥集中征服南宋，因而由旭烈兀进行第三次西征征战中东。而且当时位于伊朗的木剌夷国不肯对蒙古称臣和朝贡，因此蒙古藉此发起第三次西征。
过程
征战木剌夷国
1253年7月，旭烈兀命令将领率12000人率先进攻，为主力军作准备。而旭烈兀则仍留在和林，继续筹建主力西征军，为长征作准备。1254年10月，旭烈兀率西征军出征。旭烈兀大军经过阿力麻里（即现今中国新疆霍城西北方的阿脱诺克），到达土耳其斯坦（又译为突厥斯坦，即现今土库曼斯坦）。1255年，西征军驻在土耳其斯坦。1256年9九月，西征军攻进撒麻耳干（即现今乌兹别克斯坦），驻留40日后，继续进军至铁门关(即现今乌兹别克南方)，又在这里驻留了30日。六年春，西征军向木剌夷国（即现今伊朗北方）进军。
当时的木剌夷国军队兵力约有100000人，在库希斯坦（即现今阿富汗和伊朗北部交接处）。由西征军将领怯的不花领先锋，进入木刺夷国境后，先攻陷几个城池，再后包围要邑古儿都苦。怯的不花部队消灭了木刺夷军一半
兵力。后来西征军通过撒麻耳干，向木刺夷接近。后来西征军进入水干城，旭烈兀命令拜住带领主力军移往小亚细亚。之后，主力军进攻至撒瓦。旭烈兀派库喀伊尔喀支援怯的不花，攻打库希斯坦。而后与主力军聚合。主力军经过徒思，抵达尼沙不耳州哈不衫。旭烈兀见不能一时战胜，所以采用消耗战。
1256年6月，鲁克赖丁见到西征军进攻，便派弟沙歆沙投降，又把要塞拆掉。后来，旭烈兀觉得鲁克赖丁假意投降，便把西征军分为三部，向木刺夷都城麦门底司堡（即现今伊朗剑北部吉兰省内）进军。鲁克赖丁于11月19日投降。12月，西征军进入兰麻撒耳。当时塔亦儿不花军和波斯军攻打兰麻撤耳堡，并将兰麻撤耳攻克。至此，木剌夷国全部被旭烈兀占领。
征战阿拔斯王朝
1257年9月21日，旭烈兀率军向阿拔斯王朝（即现今伊拉克）进攻。阿拔斯哈里发穆斯台绥木宣战，建成7万军开战。旭烈兀首先派怯的不花率领骑兵，进入木刺夷和阿拔斯之间的山地，打开从哈马丹通往巴格达通道，接着，分三路进攻阿拔斯。11月，三军同时向阿拔斯国首都巴格达进军。中军攻破开尔曼沙，于12月18日，进军火勒完。这时，左军占领罗耳之地；右军在塔克利特（即现今伊拉克巴格达附近）渡过底格里斯河，与阿拔斯军遇见，拜住用水淹阿拔斯军后歼灭阿拔斯军。穆斯台绥木后令增强巴格达的城墙，布置障碍防阵。于1258年1月，围攻东巴格达。2月，穆斯台绥木带领皇子、贵族和官员投降，阿拔斯国正式灭亡。
征战阿尤布王朝
旭烈兀之后继续向西进攻。进入阿拉伯地区，战胜巴尔苏丹。1258年9月，大军进军叙利亚阿尤布王朝。叙利亚的军队约有100000人。蒙古分军为三进攻。至1259年3月21日，蒙古大军围攻大马士革。于4月6日大马士革投降。蒙古帝国占领了叙利亚大部份国土。阿尤布王朝至此名存实亡，仅统治着哈马一隅。后来旭烈兀又继续进军小亚细亚并战胜巴尔干联军。旭烈兀命过海，攻陷富浪国（即现今塞浦路斯）。拜占庭帝国与西欧众国均派使者与旭烈兀会面，有意联盟。旭烈兀后来准备进军埃及。但
于同时，蒙哥于合州战死，怯的不花受旭烈兀命令，固守叙利亚，而旭烈兀则班师。9月，埃及的军队在大马士革南方阿音扎鲁特 (艾因.贾鲁战役）大败蒙古军，制止了蒙古帝国的扩张野心。蒙古帝国的第三次西征正式结束，蒙古三次西征亦正式完结。
同年，旭烈兀于波斯等地建立伊儿汗国。
影响
蒙古第三次西征除了屠城、灭族，减少了世界人口外，亦有助伊斯兰世界、天主教世界及中国交流，这时的波斯天文学、西域医药便在此时传入中国；而中国的印刷术、火药，也经蒙古西征而传入欧洲。第三次西征也象征了蒙古扩张的停止。
