旭烈兀见阿拔斯国王不肯投降,下令进行攻击。蒙军兵分三路,在阿拔斯王朝大地上纵横驰聘,如同摧枯拉朽一般,将阿拔斯王朝的军队打得落花流水。
公元1258年,三路蒙军在巴格达城下会师。巴格达是著名古都,是整个伊斯兰教的教都,城池坚固,守军有七万多人。阿拔斯国王凭坚据守,仍然不肯投降。
旭烈兀调集军中所有大炮,对着巴格达城猛轰。蒙军士兵像涨水一般,接连不断地进行冲锋。城中守军顽强抵抗,双方死伤惨重。激战半个多月,蒙军终于攻破城池,大举入城。蒙军士兵为了泄愤,在城中大肆烧杀七天,阿拔斯国王和城中百姓全被屠杀,巴格达文明遭受严重破坏。阿拔斯王朝的灭亡,标志着阿拉伯帝国彻底终结。
旭烈兀经过苦战,消灭了阿拔斯王朝,实现了第二步战略目标,紧接着,又向叙利亚进军。蒙古大军连续灭掉木剌夷、阿拔斯王朝等国家,军威大振,西方恐慌。叙利亚国王派来使者,请求投降,但旭烈兀想要完全占有叙利亚,不予接受。
蒙军大举进攻叙利亚,攻城略地,势如破竹,很快抵达叙利亚都城大马士革城下。叙利亚国王见势不妙,弃城逃跑,投奔埃及。大马士革守军投降。
旭烈兀不费力气,占领了叙利亚,又实现了第三步战略目标,心中洋洋得意,不肯整军休整,随即马不停蹄,杀向埃及。
埃及是世界四大文明古国之一,当时势力比较强盛,特别是对蒙古军队的入侵,他们已经做好了迎战准备。结果,蒙军的前锋部队轻敌冒进,中了埋伏,全军覆没。蒙军在埃及面前碰了壁,遭受了重大损失。
恰在这时,蒙哥的死讯传来,军心浮动。旭烈兀下令班师,结束了第三次西征。
从此以后,大蒙古国再也没有举行过西征。大蒙古国不再西征的主要原因,是它内部发生了分裂,实力减弱,已经顾不上西征了。