阿拔斯王朝到哈里发纳绥尔统治时期已是江河日下，他之后的几任哈里发只是在不断入侵的恐怖中苟延残喘。消灭木剌夷国之后，旭烈兀便将进攻目标指向阿拔斯王朝的巴格达。1257年3-4月，旭烈兀从可疾云率军进向哈马丹,准备征服阿拔斯哈里发朝。旭烈兀于1257年9月10日抵达哈马丹,驻兵于木干草原的蒙古将军拜住前来拜见旭烈兀,旭烈兀生气地训斥拜住:“绰儿马罕那颜死了。你继承他的职位在波斯地区做出了什么?你打败过哪支军队,征服过哪些敌人?此外,你竟拿哈里发的辉煌、伟大来吓唬蒙古军队。”拜住屈膝禀告说:“我无罪。凡是力所能及的事我都完成了:从列夷起直到鲁木和叙利亚境内,都被我全部顺利解决了,只有征讨巴格达的事我没能顺利解决,因为那里人民众多,军队、武器和装备充足,面临的道路很难走,不可能向那里进军。”旭烈兀听后,决定在攻巴格达之前,先派拜住攻小亚细亚的鲁木国。、

在鲁木国内,国王也速丁与其弟鲁克赖丁内战,鲁克赖丁兵败被囚禁,也速丁国王已停止向蒙古人交赋税,为解决鲁木国的赋税和其两兄弟的纷争问题,旭烈兀命拜住攻打鲁木。拜住打败也速丁后,释放了鲁克赖丁,令鲁克赖丁治理国家。也速丁先逃到东罗马帝国国王剌斯迦利司处,后上书旭烈兀,旭烈兀令他们兄弟二人分治其国。旭烈兀在哈马丹时,曾遣使到哈里发谟斯塔辛处劝降。谟斯塔辛是阿拔斯哈里发的第37位哈里发。谟斯塔辛不问政事,当时的领地仅有伊刺克阿拉比。巴格达城于1256年底洪水泛滥,加剧了哈里发王朝统治下伊刺克阿拉比的混乱局面。谟斯塔辛拒绝投降,旭烈兀兵分三路攻打巴格达。

1258年1月18日,旭烈兀抵达巴格达城下。巴格达城地跨底格里斯河两岸,蒙古军队对巴格达城形成了合围之势。2月10日,谟斯塔辛携子等人出降。13日,蒙古军入城抢掠、屠杀达17天之久,巴格达城死亡达80多万人。谟斯塔辛将阿拔斯哈里发朝积累500多年的财富都拱手交给了蒙古人。旭烈兀命人将黄金放在谟斯塔辛面前,让他吞食黄金,谟斯塔辛说金子不可食用,旭烈兀便讽刺他说:“何故不以金散给军队而自守之?何以不将此(巴格达城)铁门熔为箭簇?否则汝将进至阿母河与我争渡矣。”旭烈兀下令将谟斯塔辛放入袋中,乱马踏死。立国507年(750-1258年)的阿拔斯哈里发朝灭亡了。’阿拔斯王朝的覆灭标志着“阿拉伯人的领导权就永远消失了；真正的哈里发帝国的历史，也就结束了。它结束了阿拉伯人在伊斯兰教这个阿拉伯人的宗教中的主宰地位，在这一点上，它具有持久的意义。阿拉伯人从此一蹶不振，直到二十世纪还不能振兴。

旭烈兀令阿里八哈都儿为巴格达城长官,由原阿拔斯哈里发朝丞相木爱亦答丁·伊宾·阿勒合迷辅佐,法鲁忽丁为内政长官。阿勒合迷去世后,由其子薛里甫丁辅佐蒙古官员。1258年8月,旭烈兀回到篾剌合(今伊朗马拉盖)。西亚诸国王都赶来朝贺。来朝见旭烈兀的人有:80岁的毛夕里(摩苏尔)王别都鲁丁卢卢(1220-1258年在位);法儿思阿塔毕阿不别克儿;鲁木两王也速丁和鲁克赖丁。旭烈兀将在巴格达国、木剌夷国、鲁木、谷儿只等国收掠的财宝运到阿哲儿拜占境内的乌儿米亚湖(今伊朗东、西阿塞拜疆省交界处的乌尔米耶湖)中的岛上,建造了一座城堡来储藏财宝。旭烈兀西征灭阿拔斯后在其废墟上建立了伊利汗国，以帖必力思(今伊朗大不里士)和篾剌合为都城。