此外，忽必烈与帝国西部的"四大汗国"多次交战，尤其是察合台汗国和窝阔台汗国。至元十一年和十八年，忽必烈还发动了两场远征日本的战争。
单从打仗来说，旭烈兀与自己三个亲兄弟相比丝毫不弱。1258年，旭烈兀攻打巴格达的阿拔斯王朝，以一场漂亮的围城战迫使哈里发开城出降。蒙古军队对巴格达展开了历时一个星期的屠城，数十万居民丧生，末代哈里发则被装到袋子里纵马踏死。
1259年，旭烈兀分兵三路进攻大马士革，次年灭亡叙利亚的阿尤布王朝，小亚细亚大部分地区被旭烈兀大军占领。至此，旭烈兀西征军兵锋抵达地中海东岸的巴勒斯坦地区，伊斯兰世界顿时陷入极度恐慌。
忽必烈与阿里不哥争夺汗位中，旭烈兀旗帜鲜明地拥立忽必烈。作为回报，忽必烈将原由大汗直接管辖的波斯地区划给旭烈兀。就这样，旭烈兀建立起伊尔汗国，其疆域东起阿姆河西抵地中海，北起高加索南抵印度洋，占据了富庶的两河流域。
