一、背景
1251年，蒙哥汗即位后，蒙古帝国进入了一个新的扩张时期。蒙哥汗虽然将主要精力放在了对南宋的征服上，但他并未忽视其他方向的潜在威胁与扩张机会。此时，位于伊朗北部的木剌夷国（即阿萨辛派）拒绝向蒙古帝国臣服，并且其活动被认为对蒙古统治下的地区构成了威胁。此外，包括巴格达的阿拔斯王朝在内的多个穆斯林政权也未完全屈服于蒙古的权威，这些都成为了蒙古第三次西征的理由。
1253年，蒙哥汗命令他的弟弟旭烈兀率领大军西征，目标是彻底征服波斯、叙利亚以及更远的地方。旭烈兀所率领的军队人数众多，装备精良，战斗力极强。他们首先将目标对准了木剌夷国。
二、征战木剌夷国
1253年7月，旭烈兀根据蒙哥汗的命令，开始筹备对木剌夷国的远征。他首先派遣将领怯的不花率领一支12000人的先锋队伍出发，为后续的大规模行动做准备。怯的不花的任务是探路和初步接触敌方，确保主力军队能够顺利前进。而旭烈兀本人则留在和林，负责组织和训练更多的士兵，准备更大规模的军事行动。
到了1254年10月，旭烈兀亲自率领主力军队启程。这支庞大的军队穿越了阿力麻里，一个位于今天中国新疆霍城县西北方向的地方，随后到达了土耳其斯坦。在此期间，蒙古军队展现了卓越的组织能力和后勤支持，保证了军队能够跨越遥远的距离，保持战斗力。
1255年，蒙古军队在土耳其斯坦停留了一段时间，可能是在这里进行了休整和补充物资。1256年9月，蒙古军队继续前进，攻入撒麻耳干，即今天的乌兹别克斯坦境内，停留了40天后，再次启程前往铁门关，也就是现在的乌兹别克斯坦南部地区，又在那里停留了30天。这段时间的停留可能是为了适应当地的气候条件，同时也是为了收集情报，为接下来的战役做好准备。
1256年春天，蒙古军队终于进入了木剌夷国的领土，即今天的伊朗北部。面对蒙古军队的攻势，木剌夷国的军队虽然拥有大约10万人，但在蒙古军队强大的战斗力面前显得力不从心。怯的不花作为先锋，成功地攻占了几个城市，并包围了重要的据点古儿都苦，几乎消灭了木剌夷军的一半力量。随着主力军队的到来，蒙古军队逐渐掌握了战场上的主动权。
在蒙古军队的压力下，木剌夷国的领袖鲁克赖丁试图通过外交手段避免战争。1256年6月，他派弟弟沙歆沙向蒙古投降，并拆毁了一些要塞。然而，旭烈兀认为这只是鲁克赖丁拖延时间的策略，于是决定采取更为强硬的措施。他将西征军分成三个部分，亲自指挥其中一部分直接进攻木剌夷国的都城麦门底司堡。最终，在11月19日，鲁克赖丁不得不正式投降，标志着木剌夷国的灭亡。
12月，蒙古军队进一步巩固了对木剌夷国的控制，攻克了兰麻撒 耳 等剩余的抵抗据点。至此，木剌夷国全境都被蒙古军队占领。由于在此次远征中的杰出表现，蒙哥汗于同年册封旭烈兀为伊儿汗，正式确立了伊儿汗国的地位。
三、征战阿拔斯王朝
1257年9月21日，旭烈兀率领蒙古大军正式向阿拔斯王朝发起了进攻。阿拔斯王朝作为伊斯兰世界的中心，其末代哈里发穆斯台绥木宣布迎战，组建了一支约7万人的军队以对抗蒙古入侵。面对这一挑战，旭烈兀采取了周密的战略部署，旨在迅速而有效地击溃阿拔斯军。
旭烈兀首先派遣了将领怯的不花率领一支精锐骑兵，快速穿过木剌夷国与阿拔斯王朝之间的山区，成功打开了从哈马丹通往巴格达的重要通道。此举不仅为蒙古大军提供了便捷的行军路线，同时也削弱了阿拔斯军在这一区域的防御能力。随后，旭烈兀将蒙古大军分为三路，每一路都有明确的目标和任务，以实现多点突破、快速合围的战略意图。
11月，三路蒙古军队同时向阿拔斯王朝的首都巴格达挺进。中路由旭烈兀亲自指挥，攻破了开尔曼沙，然后于12月18日抵达火勒完，进一步逼近巴格达。与此同时，左军迅速占领了罗耳之地，切断了阿拔斯王朝与外界的联系，而右军则在塔克利特（今伊拉克巴格达附近）成功渡过了底格里斯河，与阿拔斯军遭遇。在这场关键的交战中，蒙古将领拜住利用河流的地理优势，采取水淹战术，成功地歼灭了阿拔斯军的主力部队，为后续的围攻巴格达扫清了障碍。
面对蒙古军队的猛烈攻势，穆斯台绥木命令加强巴格达的城墙防御，并设置各种障碍物以阻挡敌军。然而，这些努力并未能阻止蒙古大军的推进。1258年1月，蒙古军队开始了对东巴格达的围攻。经过一个月的激烈战斗，蒙古军队凭借其强大的攻城技术和高昂的士气，逐渐瓦解了阿拔斯军的抵抗。2月，巴格达的防线终于崩溃，穆斯台绥木被迫带领皇子、贵族及官员向旭烈兀投降，标志着阿拔斯王朝长达五个世纪的统治正式结束。
四、征战阿尤布王朝
1258年9月，在成功征服阿拔斯王朝后，旭烈兀继续率领蒙古大军向西推进，目标直指叙利亚的阿尤布王朝。阿尤布王朝的军队约有10万人，但面对蒙古军队的强大攻势，仍然显得力不从心。旭烈兀采取了分兵三路的战术，每一路都有明确的目标，以实现多点突破、快速合围的战略意图。
蒙古军队首先击败了巴尔苏丹的军队，随后于1258年9月正式进军叙利亚。在接下来的几个月里，蒙古军队迅速推进，不断攻占重要城市。1259年3月21日，蒙古大军抵达大马士革，开始对其进行全面围攻。大马士革是叙利亚最重要的城市之一，拥有坚固的城墙和丰富的资源，但面对蒙古军队的持续攻击，最终于4月6日投降。大马士革的沦陷标志着阿尤布王朝的大部分领土被蒙古军队占领，阿尤布王朝从此名存实亡，仅保留了哈马一隅的统治权。
在占领大马士革后，旭烈兀并未停下脚步，而是继续向西推进，进入小亚细亚地区。他命令将领郭侃率军渡海，攻陷了富浪国（即今天的塞浦路斯）。与此同时，蒙古军队的声势浩大，引起了拜占庭帝国和西欧诸国的注意。这些国家纷纷派出使者与旭烈兀会面，表达了结盟的意愿，希望借助蒙古的力量对抗共同的敌人。
正当旭烈兀准备进一步进军埃及时，传来了蒙哥汗在合州（今中国重庆）突然去世的消息。这一突如其来的变故迫使旭烈兀不得不改变计划，命令怯的不花留守叙利亚，自己则率主力军队返回蒙古本土，参与汗位的争夺。旭烈兀的离开使得蒙古军队在叙利亚的兵力大大减少。
1259年9月，埃及的马穆鲁克王朝抓住机会，派出军队在大马士革南方的阿音扎鲁特（艾因·贾鲁战役）与蒙古军队展开激战。在这场关键的战役中，马穆鲁克军队凭借地形优势和出色的指挥，最终大败蒙古军，成功阻止了蒙古帝国的进一步扩张。这场战役不仅挽救了埃及免遭蒙古军队的入侵，也标志着蒙古第三次西征的正式结束。
五、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。