1257年九月，旭烈兀挥师兵临报达城（今伊拉克的首都巴格达）下。当时，报达城的统治者是建立于750年的阿拔斯王朝。这个国家史称黑衣大食，西方文献称其为东萨拉森帝国。国王称哈里发，意为“继承者”，即安拉使者的继承者，在政治上实行世袭制。

阿拔斯王朝地域辽阔，曾横跨亚、非、欧三大洲，世界各国贸易往来频繁。1242年，也就是窝阔台驾崩的第二年，阿拔斯王朝第三十七代哈里发谟斯塔辛即位。他骄奢淫逸、意志薄弱、喜好听音乐和观赏舞蹈，不理国事，掌管朝政的将帅大臣又争权夺利，相互倾轧，得知蒙军压境的消息后，正一筹莫展。

在报达城下，旭烈兀想起出征前，蒙哥曾吩咐过等消灭木剌夷国后，蒙军下一步军事部署：“扫荡了这些地方后，就准备好向伊拉克进军，如果巴格达的哈里发（国王）打定主意效忠听命的话，就不要以任何方式得罪他，而如果他骄傲自大、心中想的、说的不同我们一致，那就把他归并到其他敌人中。”

在进攻报达之前，于是年秋天，旭烈兀依然遣使至报达城内面见国王谟斯塔辛，责备他没有派兵随蒙军从征木剌夷人，并向他历数先前与蒙古帝国敌对的各国君主的可悲下场，最后警告他说：“如果你服从我们的命令，那就不要和我们敌对，国土、军队、臣民仍将留下给你。如果你不听我们的劝告，想反抗我们，和我们敌对，那就部署军队，指定战场吧。”

此时，虽然阿拔斯王朝国力式微，但毕竟做了五百年伊斯兰世界的精神领袖，多次抵御罗马基督教徒组织的十字军的攻伐，尚未交锋，没动一枪一箭，怎么可能轻易向蒙军俯首称臣呢？毫无悬念，国王谟斯塔辛拒绝了旭烈兀近乎粗鲁无理的要求，并派使者去见旭烈兀，态度蛮横地指出：“你要来进攻报达，只会尝到失败。”

旭烈兀闻言勃然大怒，对报达使者说：“既然你们的君主不愿投降，那就让他立即准备战斗！”把使者打发走，旭烈兀着手部署和装备军队，准备举兵攻伐报达城。

面对旭烈兀的威胁，国王谟斯塔辛急忙召集群臣商讨对策，朝中群臣发生了严重分歧。元帅苏来曼沙和副宰相埃别克及主战派坚持集中全国兵力，以逸待劳，与蒙军决战；为了阻止事态的进一步恶化，宰相伊本·阿勒哈米主张交付赎金，以保全国家及黎民的安全。对此，国王谟斯塔辛也犹豫不决，他想聚集军队同蒙军决一死战，却舍不得给士兵分发饷银和犒赏；他想向旭烈兀投诚，却又不舍得向旭烈兀进献厚礼。

在确定报达城内军力强大的事实后，旭烈兀命令亚美尼亚、格鲁吉亚等国，派兵增援合力讨伐报达城。得到强力支援后，蒙军兵力多达二十余万。由于基督教和伊斯兰教是世仇，两国领兵参战的公爵们，在报达城陷落后，他们屠杀起城内军民来尤其卖力。

十一月，旭烈兀探知副宰相埃别克亲率大军前来抵抗，决定再次兵分左、中、右三军：左军由怯的不花率领，向报达东南的罗耳挺进；中军由旭烈兀亲自率领，向报达东北的开尔曼沙、火勒完开火；右军由拜住率领，从毛夕里渡过底格里斯河，进攻报达西北。

在底格里斯河东岸有一座名叫牙库拔城的小城，埃别克率领军队便驻守于此，伺机阻击拜住率领的蒙古右军。蒙军兵临牙库拔城下，向小城发起数起强攻，均被埃别克带领的守军打败。拜住率领蒙古右军在底格里斯河上游引渡成功后，埃别克抓住时机，马上派兵驻扎在底格里斯河畔进行袭击，把拜住的军队逼退回底格里斯河西岸。

两军在底格里斯河西岸展开一场鏖战，酣战三日，不分胜负。一天夜里，蒙军从上游掘开底格里斯河堤放水，使驻扎在低洼地带的埃别克军几乎全军覆没，一万多名士兵均被淹死，副宰相埃别克躲在泥浆里装死，才侥幸躲过一劫，最后率领残军败回报达城里。

国王谟斯塔辛见埃别克惨败而归，立即下令修缮城墙，在街巷里布置障碍，号令全城居民保卫都城，与蒙军死战到底。

全歼埃别克一军后，拜住率蒙古右军攻入报达河西的附城。与此同时，旭烈兀率领中军已占领罗耳，直抵报达城东南；中军拔除开尔曼沙、火勒完后，穿越美索不达米亚平原，进抵报达城北。这样，旭烈兀指挥三军对报达城形成合围之势。

为了瓦解报达城内守军的斗志，迫使他们早日投降，旭烈兀下令围绕报达城外挖掘一条宽阔的壕沟，还在底格里斯河上、下游架设浮桥，封锁了报达城的水路交通，给围困在报达城里的军民的心理造成极大的恐慌。

蒙军尚未发动总攻，侥幸逃过蒙军水淹的埃别克已被吓破了胆，很后悔又逃进报达城中，死路一条。不想安坐待毙，一天夜里，埃别克指挥着三艘战船试图突破蒙军的浮桥，夺路而逃。时间证明，他的逃跑计划很快夭折，三艘战船上的士兵全部被俘，他性命难保，被蒙军一刀砍了。

1258年一月三十日，旭烈兀命一百门火炮瞄准了报达城墙，三路大军同时发起进攻。战幕刚启，炮石如无数只大鸟，掠着死亡之翼，向报达城垣上疾速飞去，声如雷震，砸得城垣上砖石飞溅，烟雾升腾，功夫不大，报达城东门便被火炮摧毁。城内国王谟斯塔辛征集城中能征善战的士兵七万余人进行拼死抵抗，战况十分惨烈。经过数日围攻，造成城内守军的体力渐渐不支，伤亡惨重。数日后，国王谟斯塔辛几次遣使和儿子至蒙军阵营请降，旭烈兀都拒见。

二月十日，连日的消耗，报达城内守军所剩无几，城墙被蒙军火炮轰击得摇摇欲坠，破城已迫在眉睫。国王谟斯塔辛见败局既定，只好放下手中的武器，率领儿子、官员、贵族三千余人出城乞降。旭烈兀以礼接待，让他号令城中居民弃械出城投降，然后逐一屠戮。当初强硬的拒降换来如今残酷的惩罚。

等蒙军把报达城内的军民肃清殆尽，十五日，旭烈兀骑马入城巡视宫廷，让谟斯塔辛交出王宫秘藏的国库财物，然后纵兵把阿拔斯王朝积蓄了五百年的金银宝石掠夺一空。又对后宫进行登记，共有后妃七百、宦者千人。报达城连续烧杀七天，城内居民八十万人遭到屠杀。

五日后，旭烈兀率军离开报达城，停驻在瓦黑甫村，报达城国王谟斯塔辛被蒙军裹在地毯中乱马踏死，一起处死的还有阿拔斯王朝皇室男子。旭烈兀指挥着蒙古西征军奋战三个月后，终于结束了报达战争。黑衣大食王朝绵延了三十七代，历经五百零八年，宣布灭亡。

伊斯兰教中心报达城的陷落，使周围的伊斯兰国家陷入极度恐慌之中。距离报达城最近的叙利亚地区诸国更是五脏俱焚，似乎依稀听到蒙军铁蹄正渐渐逼近的声音。为了避免引火烧身，叙利亚国王苏丹纳昔儿赶紧派王子阿昔思和宰相札奴丁携带重礼拜谒旭烈兀行营，俯首称臣。旭烈兀责问阿昔思，为什么苏丹纳昔儿自己不来。他索性扣押了王子阿昔思，到明年开春放归，并让他给其父捎去一封谕降书。

苏丹纳昔儿在回书上宣称：“纳昔儿王、赛甫丁、阿老瓦丁以及叙利亚之其他将卒不畏作战，急盼马嘶与战士之冲突，盖彼等曾发誓愿与汝等一战也。”

在西征途中打得如火如荼的旭烈兀，决定提兵攻伐叙利亚。当时叙利亚名义上属于阿尤布王朝（行政中心在埃及），实际由国君纳昔尔统治，叙利亚的兵力大概有十万人。1258年九月，旭烈兀大军开赴叙利亚境内，兵分三路展开攻势：拜住和失克秃儿为右翼；孙札克为左翼；旭烈兀亲自率领中军，先后攻下哲吉莱特城、牙发儿斤城、阿米德等诸城，渡过幼发拉底河，洗劫了门比杰，围攻叙利亚重镇阿勒颇城。

城中守将木阿匝木率领叙利亚十万大军驻扎于此，自持城高池深，严令死守，拒不出城迎战，誓不投降。期间，阿勒颇城内部分守军擅自出战，旭烈兀将他们诱至城外开阔地，惨遭败绩。针对阿勒颇城墙坚固的事实，蒙军动用二十门火炮对准城门一阵猛轰，城门倒塌，蒙军趁机攻入城内。不过，城内守军并没有束手就擒，与蒙军进行了殊死搏斗。战斗持续了一周，蒙军才彻底攻下此城，作为惩罚，全城居民惨遭屠杀，只少数工匠得以幸免，或编入军队充当肉盾。

阿勒颇城失守后，叙利亚诸城望风而降，许多穆斯林王公贵族在蒙军尚未到达时，争相跑来归顺旭烈兀。对尊奉他的人，旭烈兀一律高抬贵手，以至于有个叫阿什拉夫·穆萨的王公，因统治残暴曾被百姓推翻，当他前来向旭烈兀倒苦水时，旭烈兀竟派军队拥戴他重新复位。

见气势汹涌的蒙军来犯，叙利亚国王纳昔儿顿时方寸大乱，忙遣使驰向埃及紧急求援。当时埃及正闹内乱，无暇自顾，不可能向叙利亚增派援兵。于是，纳昔儿放弃叙利亚首都大马士革城，逃往埃及马木留格王朝。国王不战先逃，城内军心已乱，斗志消弭。战斗尚未开始，大马士革城沦陷的命运已经基本确定了。

城中长官遣使向旭烈兀投诚，并献上金银珠宝和自己的妻妾。尽管如此，大马士革城的子城尚未完全降服，仍有三万名将士不愿做亡国奴，利用城堡掩护，誓死抵抗。

1259年三月二十一日，旭烈兀派怯的不花率军围攻子城，以二十门火炮狂轰滥炸，直到四月六日，大马士革全城沦陷。遵照旭烈兀的指令，怯的不花亲手砍下守城长官的头。大马士革移交给一位蒙古长官管理，并由三位波斯文官协助。

在以后的三周中，旭烈兀对叙利亚全境的反抗势力进行了清洗，西征军进入萨马里亚，把曾经抵抗过的纳布卢斯驻军全部处死。接着，怯的不花率西征军长驱直入，推进到与埃及边境接壤的加沙地区，活捉了叙利亚的苏丹纳昔儿。怯的不花把苏丹纳昔儿和其亲属送往大不里士。据说，旭烈兀待苏丹纳昔儿非常好，答应在取得埃及后，把叙利亚归还于他。

这样，蒙古帝国完全控扼了从亚洲到非洲的重要商道，再往前，便要进入非洲，蒙古帝国真正变成了名副其实的“横跨欧亚非三洲的帝国”。蒙古帝国占领了叙利亚大部分国土。阿尤布王朝至此名存实亡，仅统治着哈马一隅。为了扫除隐患，旭烈兀派军进攻小亚细亚，击溃巴尔干诸国联军。同时，名汉将郭侃渡海，占领了塞浦路斯岛。