蒙哥二年(1252年)七月,旭烈奉命西征大食等国。为支持这第三次西征的大规模军事行动,诸王各从属军队中每十人抽二人由子弟率领从征:又从汉地调派炮手,工匠千人管理火器,由郭侃负责带队。已被委派镇守波斯的拜住和怯失迷儿(克什米尔)的塔亦尔拔都,均归属旭烈兀指挥。
是年七月,先锋怯的不花率一万二千人出发,次年进入木刺夷境,首先进攻库希斯坦地区,包围吉儿都怯堡达两年之久。旭烈兀大军从次年(1253年)十月缓慢西行,蒙哥汗六年(1256)才渡过阿母河,入春,率大军进入战区。不久攻灭盘踞里海以南诸山城的木刺夷国。
蒙哥汗七年(1257年)春,旭烈兀移师哈马州,准备进兵黑衣大食。镇戍波斯西部的拜住前来听命。十世纪以来,黑衣大食逐渐衰落,哈里发仅保有伊斯兰教领袖和伊斯兰世界名义上的宗主地位,辖境只限于伊拉克,阿刺比一带。蒙哥汗八年,旭烈兀攻陷报达(今伊拉克巴格达),灭黑衣大国(阿拉伯帝国阿拔斯朝).
蒙哥汗九年(1259年)九月,旭烈兀命怯的不花为先锋,拜住统右翼,速浑察统左翼,自统中军,从阿刺塔克出发,进攻叙利亚。次年一月,攻陷阿勒波城,杀掠六日。四月,怯的不花占领大马士革城。叙利亚算端纳昔儿辗转逃到巴勒哈,被蒙古军捕获。这时,蒙哥死讯传来,旭烈兀留大将怯的不花率军两万继续攻略叙利亚各地,自率其余军队返回波斯。
蒙哥汗九年(1259年),蒙古遣使到开罗谕降,密昔儿(埃及)算端忽秃思召集臣僚商议,决定出兵抵抗。第二年七月,杀蒙古使者,进兵巴勒斯坦。九月,怯的不花与忽秃思军在阿音扎鲁特(大马士革南)会战,怀的不花战死,蒙古军全军覆没。密昔儿军乘胜占领大马士革,阿勒波等城,杀蒙古所置官吏。蒙古军向埃及和北非的扩散被遏止,西征结束。
蒙哥汗发动的第3次西征,到1260年结束,历时八年,虽对西亚许多地区造成臣大破坏,但也推动了中西文化的交流,促进了东西民族的融合。
