旭烈兀本来就和四哥忽必烈关系不错，他得知忽必烈开出的优厚条件后，便满口答应自己会永远支持忽必烈。当忽必烈和阿里不哥正式开战后，忽必烈命令旭烈兀率领西征军回师帮助自己争夺汗位，旭烈兀得到命令后，便结束了对叙利亚的战争，准备率军回到东方帮忽必烈夺取汗位。
旭烈兀率领主力军队离开叙利亚后不久，他的留守在大马士革的部下怯的不花便被马穆鲁克骑兵击败，马穆鲁克苏丹忽都斯将蒙古人赶出了叙利亚。很多网友都认为正是旭烈兀率领主力军队回师帮助忽必烈夺取汗位，才使马穆鲁克人成功反扑，导致蒙古人未能成功进入非洲的土地。
但是根据史书的记载，旭烈兀并没有率军返回东方帮助忽必烈夺取汗位，当旭烈兀的西征军行进到阿姆河流域的时候，旭烈兀却突然下令停止行军，让这批西征军滞留在伊儿汗国的边境。而旭烈兀之所以这么做，是担心死对头金帐汗别儿哥会趁虚而入，在此之前，对旭烈兀屠杀巴格达居民不满的别儿哥曾入侵伊儿汗国的领土，两个汗国的军队在高加索地区打的血流成河。
而旭烈兀未能回师援助忽必烈是因为担心别儿哥入侵的这个官方说法，却遭到了一位记录伊儿汗国历史的波斯史学家的质疑，这位波斯学者曾在自己的著作中指出："旭烈兀并不是因为担心别儿哥入侵才下令停止行军的，而是因为战功卓著的旭烈兀也早已对汗位垂涎不已，他打算等他两个兄弟斗的两败俱伤的时候，顺势夺取汗位，他是一个懂得保存实力的聪明人。"
不过让旭烈兀没有想到的是，阿里不哥居然败的这么快，到了1264年，忽必烈彻底击败了阿里不哥，随后便改国号为大元。而并没有向忽必烈提供实际支援的旭烈兀并没有被兄长责怪，忽必烈依旧册封旭烈兀为伊尔汗，但是仅仅一年之后，旭烈兀便去世了，遗体被安葬在伊朗尔米亚湖中的一个小岛上。
