这时，拔都亲率的主力军已侵人匈牙利。不料布达佩斯城内突然发生动乱，某些将领率军脱离国王别刺，奔向保加利亚。拔都与速不台会合后，乘机发动攻势，在赛音河畔全歼匈牙利军。蒙军入布达佩斯城，焚城离去。蒙将哈丹所率的左翼军，此时亦攻克鲁丹城，完成对匈牙利全境的占领。次年4月，正当拔都准备在欧洲展开新的攻势时，窝阔台汗驾崩的消息传来。窝阔台汗的子侄几乎皆在西征军中，必须回归本土参加拥立新汗的大会，拔都于是下令全军东返。历时6年的拔都西征，至此结束。两年后，蒙古公推窝阔台汗长子贵由为新汗。拔都对他素来瞧不起，因此于归国途中返回窝勒迦河流域建立钦察汗国，自为可汗。贵由在位仅3年，即因病身亡，拔都遂拥立拖雷长子蒙哥为新汗。蒙哥即汗位后，决心为其弟弟忽必烈、旭烈兀亦开藩建汗，下诏再次西征。
公元1252年7月，蒙哥汗任命旭烈兀为统帅，准备西征。旭烈兀派乃蛮人怯的不花率2万人先期出发，次年自率数万大军西进。夏天，烈兀先平定士耳其斯坦。公元1256年正月，听说旭烈兀的大军渡过阿母河，罗耳、伊拉克、呼拉商、亚赛尔拜然、乔治亚诸国国王均来犒师。这时，怯的不花所率的先锋已与木刺夷军交锋多年，攻夺数城，先后歼灭木刺夷军5万人。然后遣使赴麦门底斯城劝木刺夷国王鲁克赖丁投降。鲁克赖丁向蒙军洽降。旭烈兀认为鲁克赖丁缺乏诚意，下令对麦门底斯城发动猛攻，鲁克赖丁即被迫出降。
公元1257年9月，旭烈兀遂率军向巴格达疾进。先击破里夜大食军逆袭，然后对巴格达完成合围。木思塔辛知道难与蒙军较量，被追出降。此后，旭烈兀又西行千里，进至天方，攻下18座城池，大肆蹂躏巴尔苏丹、叙利亚、富浪等巴尔干半岛及地中海沿岸国家。公元1259年冬，当旭烈兀进至亚洲西南端欲进攻埃及时，突然得到蒙哥汗去世消息，乃命怯的不花驻守叙利亚，大军立即东归。乘蒙哥汗死，忽必烈继承汗位，是为元世祖。将旭烈兀所征服之地建为伊儿汗国封其为可汗，统治波斯与小亚细亚的地方。此时蒙古相继建立了伊儿汗国、钦察汗国、窝阔台汗国和察合台汗国，合称四大汗国。
