公元年，旭烈兀统帅蒙古大军渡过阿姆河，月到达木剌夷境内。蒙古先锋将领怯的不花攻占木剌夷多处堡寨，给予了沉重打击。木剌夷首领鲁克那丁在蒙古大军压境的形势下，派遣他的弟弟沙歆沙向旭烈兀求和，旭烈兀要求鲁克那丁亲自来投降，但鲁克那丁迟疑不决。月，旭烈兀命令蒙古军队发起猛攻，鲁克那丁被迫投降。蒙古军队占领其都城阿剌模式堡（今里海南）。年初，鲁克那丁被蒙古军队杀死，他的族人也都被处死，木剌夷被完全平定。

公元年月，驻守阿塞拜疆的拜住来到军中，旭烈兀偕同拜住等继续西征，直指黑衣大食首都巴格达。当时阿巴斯王朝哈里发漠思塔辛执政，既直接统治黑衣大食，又管辖整个伊斯兰教世界，是两河流域的强国。公元年冬，旭烈兀、拜住等率军三路围攻巴格达，第二年初，三军合围，向巴格达发动总攻，蒙古军队用炮石攻打巴格达城，城门被炮火击毁。月，漠思塔辛哈里发率众投降，旭烈兀攻陷巴格达，蒙古军队在城中大掠七天，漠思塔辛被处死，阿巴斯王朝灭亡。旭烈兀率军继续西进，兵进叙利亚，直抵大马士革，势力深入到西南亚。由于蒙古军队被埃及军队打败，旭烈兀才被迫停止向西进，留居帖必力思，建立了伊利汗国。四大汗国蒙古西征的胜利，主要原因是在战略上采取由近及远、相继占领的策略，以蒙古大漠为中心，向外一步步扩张。在战术上，蒙古骑兵被称为最富有想象力的骑兵，他们有很多新鲜的战斗方法，被誉为天下第一骑兵，其标准装备是牛皮甲、弓箭、短斧和单勾枪。拔都围攻日尔曼——波兰联军、铁木真击溃金军主力都是经典战例。

最突出的是在匈牙利首都佩斯城之战，当时的欧洲人喜欢列队出击，在教堂的钟声中步兵盾阵和重装骑兵鱼贯出城，蒙古人则低姿前进，遇到敌人主力冲击就一哄而散，用弓箭阻止敌军的追击。匈牙利人首战告捷，但感觉受不了蒙古军乱射弓箭，就用马车围成一个大圈，上悬盾牌，主力呆在里面等待决战，蒙古人在抓住时机进行大迂回，完成包围后故意留下一个口子，当匈牙利人发现这些举动时决定突围，但是被驱逐到沼泽和灌木丛中屠戮，这一战充分说明蒙古人理解了战争的真正本质。而匈牙利人则充分地相信自己能够打败远方来的乌合之众，最后败都败得如此狼狈。另外蒙古骑兵以硬打硬的时候也很多，一旦主帅认定时机已到，主力部队就倾巢出动，连护卫王族的怯薛军团也不例外，骑兵手执近战武器“穿凿而入，砍将夺旗”。蒙古军射术精良，但遇到全身重铠的欧洲骑兵就没有太大作用了，这种战争中他们使用短斧砍劈和勾枪拖人下马，然后踩踏至死。

蒙古军队还注重学习汉人的军事技术，用汉人工匠制造大炮，提高了战术优势，西征时集中优势兵力，由诸王的长子出征，如拔都西征就全是长子，窝阔台认为“长子出征，则人马众多，威势盛大”。

在公元年至年的近半个世纪中，蒙古帝国通过三次西征，先后征服了今咸海以西里海以北的钦察、花剌子模和东起阿尔泰山西至阿姆河的西辽、畏兀儿，建立察合台汗国；鄂毕河上游以西至巴尔喀什湖的乃蛮旧地，建立窝阔台汗国；伏尔加河流域的梁赞、弗拉基米尔、莫斯科、基辅等公国，建立钦察汗国；两河流域的伊朗、阿富汗、叙利亚，建立伊利汗国；形成世界历史上前所未有的大帝国。

四大汗国的汗本是蒙古帝国中央分封出去的四个最高军事首领，与中央保持有藩属关系，直接对大汗负责。后来，蒙古各统治集团为争夺大汗权位，彼此蒙古帝国及其四大汗国疆域示意图间矛盾激化，加上各汗国间缺乏必要和有利的经济联系，因而使大蒙古国这个复杂的政治混合体日趋瓦解。其中钦察和伊利两个汗国走上各自独立发展的道路。而窝阔台汗国，由于窝阔台和他的儿子相继被选为大汗，其领地一直归中央管辖，实际上没有形成单独的汗国。察合台汗国的汗庭设在伊犁河上，在地理上与中原腹地及蒙古高原连成一体，在政治上也与中央王朝保持着密切的从属联系。蒙哥大汗即位后，在察合台汗国的别失八里等地设置尚书省，管辖范围从畏兀儿至河中诸地。在察合台汗位的继承上也经常受到中央王朝的左右。显然，它和窝阔台汗国一样，是中国历史的一个组成部分。

蒙古大军在世纪发动的大规模西征，凭借较少的军队和漫长的后勤供应征服了西征的各国，改变了整个亚欧地区的历史，也促进了欧洲和近东的军事革命。在战争中，蒙古人运用从汉族那里学到的火器制造技术，给西征各国的军队造成了沉重打击。火器制造也从此传到西方，促进了那里的军事技术的发展。

蒙古建立了空前庞大的帝国，在这个帝国里，包括了亚洲、欧洲的许多民族。尽管这个帝国并不统一，但是帝国内部的各民族之间的交往，比各民族国家分裂时要频繁、密切得多。对于处于帝国中心地位的中国来说，这一时期与亚欧其他国家的科技文化交流大大加强。

在蒙古西征中，一些信仰伊斯兰教的人来到中国，有些人从此在中国定居下来。他们与汉族和其他民族同居共处，不断融合，逐渐在中国形成一个新的民族——回族。