1251年，蒙哥继承帝位后，为了扩展领土，遵照成吉思汗拓展疆土，开藩建汗的遗愿，展开第三次西征。
因蒙哥集中征服南宋，因而由旭烈兀进行第三次西征征战中东。而且当时位于伊朗的木剌夷国不肯对蒙古称臣和朝贡，因此蒙古藉此发起第三次西征。
西征过程：
1.征战木剌夷国
1256年6月，鲁克赖丁见到西征军进攻，便派弟沙歆沙投降，又把要塞拆掉。后来，旭烈兀觉得鲁克赖丁假意投降，便把西征军分为三部，向木刺夷都城麦门底司堡(即现今伊朗剑北部吉兰省内)进军。鲁克赖丁于11月19日投降。12月，西征军进入兰麻撒耳。当时塔亦儿不花军和波斯军攻打兰麻撤耳堡，并将兰麻撤耳攻克。至此，木剌夷国全部被旭烈兀占领。
2.征战阿拔斯王朝
1257年9月21日，旭烈兀率军向阿拔斯王朝(即现今伊拉克)进攻。阿拔斯哈里发穆斯台绥木宣战，建成7万军开战,1258年1月，围攻东巴格达。2月，穆斯台绥木带领皇子、贵族和官员投降，阿拔斯国正式灭亡。
3.征战阿尤布王朝
旭烈兀之后继续向西进攻。进入阿拉伯地区，战胜巴尔苏丹。1258年9月，大军进军叙利亚阿尤布王朝，蒙古分军为三进攻。至1259年3月21日，蒙古大军围攻大马士革。于4月6日大马士革投降。蒙古帝国占领了叙利亚大部份国土。阿尤布王朝至此名存实亡，仅统治着哈马一隅。
4.西征结束
蒙哥于合州战死，怯的不花受旭烈兀命令，固守叙利亚，而旭烈兀则班师。9月，埃及的军队在大马士革南方阿音扎鲁特 (艾因.贾鲁战役)大败蒙古军，制止了蒙古帝国的扩张野心。蒙古帝国的第三次西征正式结束，蒙古三次西征亦正式完结。
西征影响：
作为第三次西征的直接影响，1256年旭烈兀建立了伊利汗国。
伊利汗国(1256–1335年)：又译伊儿汗国或伊尔汗国 ，蒙古帝国的四大汗国之一 ，元朝西南藩国，成吉思汗第四子拖雷之子旭烈兀所建。
其领土东起阿姆河和印度河，西面包有小亚细亚大部分地区，南抵波斯湾，北至高加索山。旭烈兀以蔑剌哈(今伊朗东阿塞拜疆省马腊格)为首都。
此外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。