几乎在忽必烈南下大理的同时，蒙古帝国的第三次西征开始了。这次西征的主角是旭烈兀。
旭烈兀是唆鲁禾帖尼的第三个儿子，蒙哥和忽必烈的亲弟弟。和两位兄长一样，旭烈兀在长期的征服活动中积累了丰富的战争经验和政治本领，也扩大了自己的胸怀，为蒙哥即位立下了汗马功劳。长大以后，旭烈兀和两位哥哥一样，养成了沉勇机敏的性格，对很多事物有极强的洞察力，尤其战场形势，他能够很快的做出判断，不动声色从容做出安排。他长大后很快和忽必烈成了大哥的左膀右臂。
前文说到，蒙哥即位的时候有一次遇刺事件，是恐怖主义政权木剌夷国策划的，这件事让蒙哥大为恼火，鉴于他当时刚刚即位，很多事情没有摆平，所以暂时把这件事搁置了一段时间。
后来蒙哥又先后接待了前来觐见的西域各国的使者，大家纷纷控诉木剌夷国的恐怖主义行径，有一次，呼罗珊地区加兹温城的伊斯兰教长舍思丁甚至当着蒙哥的面脱下了外头的穆斯林长袍，露出里面的锁子甲。蒙哥不解的问为何如此打扮。舍思丁告诉蒙哥穿着锁子甲就是为了防止木剌夷派的暗杀，这些人无孔不入，就连觐见大汗的时候也不敢大意，所以甲不离身，寝食难安。
蒙哥当时沉默了，没想到这个恐怖主义政权如此嚣张，现在汗廷内部事务基本已经摆平，是该向恐怖分子摊牌的时候了。
当汗廷内部基本整顿完毕了，蒙哥决定开始进行第三次西征。
当蒙哥告诉旭烈兀让他挂帅西征时，后者感觉到，属于自己的时代来了。
在第一次、第二次西征的时候，朮赤、察合台、窝阔台和拖雷四个家族的人都参与了，但这次蒙哥决定单独进行，其他几个兀鲁思不再参与，因此这次西征也称旭烈兀西征。
为了支持整个西征大军，蒙哥汗下令从各个那颜和每个子侄中，每十个人中抽出两个人参加此次西征。原来驻守波斯的拜柱和驻守克什米尔的答亦儿大军，悉归旭烈兀节制。此外蒙哥下令沿路的各个城池向旭烈兀大军提供给养，并将沿途的草场和牧地划为禁猎区，禁止在此放牧，以便西征军一路上能得到足够的粮草。
鉴于忽必烈大军南征大理已经带走了大部分军事力量，人手较紧，所以旭烈兀的西征分成两个批次：怯的不花率1.2万人的部队于1252年秋天先出发，旭烈兀的主力部队大概8万人进行了长时间的储备和广泛动员后，于次年春天才出发。
临行前，蒙哥告诉旭烈兀：从阿姆河到埃及尽头的土地，都要遵循成吉思汗的习惯和法令。对于顺从你的命令的人要赐予恩惠，对于顽抗的人要让他们遭受屈辱。把木剌夷国的各个城堡彻底摧毁，连废墟都不要剩下。
蒙哥还把拖雷最小的儿子，同父异母的弟弟雪别台托付给旭烈兀，让他在战场上历练一下。
寒风猎猎，蒙哥目送着两个弟弟向西开拔了。蒙哥没有想到的是：尽管后来旭烈兀西征完全达到了预期目标，在遥远的西亚建立起了伊儿汗国，可是他有生之年再也没有机会见到这两个弟弟了，这次送别竟是兄弟的永别！
旭烈兀西征路线与成吉思汗第一次西征的路线基本相同，向西越过额尔齐斯河，阿尔泰山，翻越了伊犁河谷后，继续向河中地区挺进。不同的是，路途困难程度比第一次西征要容易得多，因为当时大部分地区已经归顺蒙古了，所以在到达木剌夷国之前，旭烈兀几乎没有遇到大的战斗。
完全不同于拔都那样疾风骤雨式的前进，旭烈兀带着妻子脱忽思哈敦，长子阿八哈，以及众将领一边围猎，一边接受沿途上层人士的款待，慢慢悠悠的前行，几乎是去旅游度假一样，有时候甚至一天前行不过数十里。他光从草原到河中地区的撒马尔罕就走了将近一年，这与前两次西征的速度形成了鲜明的对比。
在撒马尔罕，旭烈兀又进行了两三个月的休整。撒马尔罕的官员在郊区肥美的草原上搭起来了镶着金边的帐篷，送来了上好的水果、蜂蜜和牛羊。旭烈兀对这些殷勤的招待非常满意，他在这织金的大帐内接待了几乎整个撒马尔罕的大小官员和伊斯兰教长、异密们，赐给他们礼物，并详细的向他们了解了这里的物产、民风等相关情况。晚上，则与这些官员饮酒欢宴，如同野餐一样。而随行的将士们则在附近的草场喂养着战马，经过休养整顿，士饱马腾。
两个月后，大军再次启程，向里海方向进发。可是就在这时，旭烈兀的弟弟，雪别台因病去世了。雪别台这个十一弟，在尚未建功立业的时候，英年早逝了，旭烈兀对此伤心不已。
走到阿姆河边，旭烈兀命令征召周围的船夫建造船只和搭建桥梁。
经过夜以继日的工作，这些船夫们三天后建成了足够大军通行的船只和桥梁，旭烈兀极为高兴，赏赐给他们大量的财物，并下令免除了所有船工的船税。这一善举为旭烈兀带来了巨大的声望，而且带来了众多的兵源：很多人主动加入到西征大军中来。
与此同时，旭烈兀给西亚和中亚各国发去信函，要求他们一同参与反恐——征讨木剌夷国，并告诉他们，如果加入到蒙古大军中来，将被视为是同盟，如果支持木剌夷国或者逃避响应，则会被视为蒙古人的敌人。
这极具威胁性的号召进一步孤立了木剌夷国。
中亚许多部落也接到了旭烈兀的信函，这些部落长时间受到了木剌夷国的暗杀威胁，早就心怀不满，想消灭掉这个恐怖主义政权，现在正好借助看蒙古人的力量来达到自己的目标。即便是心里不愿意自己出力，但他们摄于蒙古人的压力，也不得不派兵参加。
除了这些部落外，还有两个非常主动积极的参与者，分别是格鲁吉亚和亚美尼亚。这两个高加索山国是非常古老的基督教国家，而旭烈兀本人则受母亲唆鲁禾帖尼的影响，倾向于基督教，所以亚美尼亚和格鲁吉亚国王基于共同的宗教信仰，也主动派兵前来助战，成为蒙古的同盟，在以后的征讨中他们格外卖力。
就这样，旭烈兀边走边吸纳沿途加入的军队，以至于到达里海南岸的时候，西征大军的数量由刚出发时候的8万人增加到了15万人，成为了一支名副其实的多国部队。1256年初，旭烈兀大军抵达了厄尔布尔士山脉南端，木剌夷国的边境。
当蒙古大军向这里进发的时候，木剌夷国几乎没有做任何抵抗准备，由于长期以来他们奉行的极端措施和蒙古人的强大压力，在蒙古人步步逼近的时候，并没有得到任何外部援助，相反却内讧不断。
当时的山中老人阿剌瓦丁曾经在成吉思汗第一次西征的时候见识过蒙古人的厉害，深知以自己的实力不是蒙古人的对手，倾向于投降。但他的儿子马儿沙则属于强硬派，坚持以武力对抗蒙古人，为此父子二人发生了激烈的冲突。
为了表示自己破釜沉舟的决心，同时也为了早日继承首领之位，马儿沙决定向自己的父亲下手。
一天，阿剌瓦丁的近亲侍卫长哈桑接到消息，让他到马儿沙的麦门底斯堡城中议事。当他到了库沙那里，看到屋子里只有一大箱子金币，一包用纸包好的粉末，以及马儿沙那不可思议的眼神。
马儿沙告诉他，为了保护木剌夷国，也为了保护哈桑自己，他必须完成一件大事：现在阿剌瓦丁已经被撒旦施了魔法，其行事和语言偏离了正确轨道，必须让阿剌瓦丁喝下一种能让人保持清醒的药物，才能让阿剌瓦丁摆脱魔鬼的诱惑，认识到自己的错误，而这个伟大的任务，则须有哈桑来完成。
当然，事成之后，哈桑将得到这箱子金币，以及未来的一个城堡堡主的地位。
哈桑眨了眨那深色的眼睛，收下了那箱金币以及那包白色的、马儿沙所说的能让人保持清醒的神秘药物。
于是，回到阿剌模特堡山中老人的住处，哈桑给阿剌瓦丁喝下了药水。当天夜里，阿剌瓦丁死了，马儿沙成为新的山中老人。
以暗杀为职业，终究还是摆脱不了被暗杀的命运，与以往不同的是：这次暗杀者竟然是自己的儿子。
所以说放弃恐怖主义是恐怖分子的唯一出路。
对于阿剌瓦丁的突然死亡，整个木剌夷国传言纷纷，并将怀疑目标集中到了哈桑身上。马儿沙为了平息众怒，将哈桑抓起来给绞死了。我相信哈桑临死前，那双懊悔和愤怒的眼睛，会喷出火焰烧死马儿沙。
这次可悲的内讧弄得木剌夷国人心离散，很多城堡完全丧失了抵抗的信心，只等蒙古人一来就开城迎降。
当时木剌夷国经营多年，在山里建起了大概300多座堡垒，最大的是阿剌模特堡，这座旗舰城堡中住着木剌夷国的领袖，还囤积了大量的食物和图书典籍文物档案等等，是木剌夷国的首府。其他诸堡沿着厄尔布尔士山脉散落在里海南岸，其中在靠东一点的你沙不儿城附近有一座比较大的吉儿迭苦黑堡垒，起着桥头堡的作用。
其实在旭烈兀到达之前，先行出发的怯的不花将军已经抵达这里。
当时怯的不花只带了1万多人，兵力有限，所以他没有急于攻城，而是沿着吉儿迭苦黑城挖了一条深深的壕沟，断绝了城中的守军与其他城池的一切联系，这样一来吉儿迭苦黑成了瓮中之鳖。怯的不花一边在附近游牧抄掠，一边等着旭烈兀大军的到来。
正在怯的不花围困吉儿迭苦黑堡垒城堡的时候，一天夜里，突然从城里冲出来一百多名守军，由于当时蒙古人防备松懈，一点准备都没有，这些人竟然爬过来壕沟，翻越了蒙古人筑起的堡垒，突破了蒙古人的防线，逃了出去。
虽然事后蒙古人很快反应过来并追上去，将大部分杀死，但依然有少数人成功突围，跑到了阿剌模特堡，并给马儿沙带来了一个惊人的消息：吉儿迭苦黑堡垒粮食已经几近断绝，尤其食盐缺乏，而且城内发生了瘟疫，快支持不住了！没有外援的话，守军只有死路一条。
马儿沙沉默了，他很清楚吉儿迭苦黑堡垒的位置：该城一旦陷落，整个木剌夷国大门洞开，以后很更难抵御蒙古人的进攻，可当前阿剌模特堡也面临着蒙古人的巨大压力，实在抽不出多余的兵力支援别的地方。如果一兵一卒都不派，马儿沙担心该城会投降蒙古人，为了鼓舞守军的士气，表现出对该城的关心，马儿沙派了150人的援军携带粮食增援这里。
这150名援军从外围往里冲，经过激烈的厮杀，其中有十名援军冲破了蒙古人的防线进了城中，把这点杯水车薪的粮食带给了奄奄一息的守军，其他人大多数被杀，还有的成了蒙古人的俘虏。
当怯的不花从俘虏的口中得知城中已经弹尽粮绝，心中大喜。他下令攻城，在城下排起了大量的投石机和床弩，一时间万石齐发，很快将吉儿迭苦黑堡垒打开几个缺口，蒙古人沿着缺口冲入城中，而那些已经被饥饿和病痛折磨的奄奄一息的守军只能眼看着蒙古人的马刀向自己的头上砍来……
战斗结果：整个城堡全部被毁，守军全部被杀。
吉儿迭苦黑堡垒之战是西征的第一个比较大的胜利，给木剌夷国带来了极大的震撼，此战后，其他诸多城堡人心惶惶，有的甚至开始考虑投降事宜了。该战结束后，怯的不花没有乘胜攻取其他城堡，而是一边游牧，一边等待着旭烈兀主力的到来。
1255年冬，旭烈兀来到你沙不儿城，与怯的不花会师，一起商量了下一步的计划。当时包括西征军最高统帅旭烈兀，以及战将怯的不花、拜柱、郭侃等人均参加了此次军事会议。
会上一部分人主张即刻进兵，一举荡平各个山寨，而旭烈兀则认为，此前经过阿剌瓦丁和马儿沙父子相残的内讧，木剌夷国内部已是人心浮动，有的表现出愿意投降的意思，但是他们担心得不到蒙古人的宽恕，投降后被杀，所以处于犹疑状态。
为了坚定这些人的投降信心，旭烈兀决定暂缓进攻，向各个城堡发出劝降照会。
蒙古人向各个城堡派出了信使，把一封封信交到了各个城主手中。
接到旭烈兀的信件后，其中一个叫塔黑特的城堡率先做出了回应。
塔黑特城堡位于厄尔布尔士山脉东端，原本是个很大的集市，商业交易发达。要知道，即便是恐怖主义国家，也需要商业，否则基本生活用品无法满足。从不花剌等地来的货物拿到这里销售，换取当地的皮毛、蜂蜜、刀剑等物，这里还还有一座小型的铁矿和数座打造兵器的作坊，冶炼出刀剑等制品，给木剌夷国提供兵器，可以说，这里起着一个后勤保障基地的作用。
当旭烈兀西征的时候，该城的指挥权传到一个叫卡迭尔的城主手中。
卡迭尔当时已经60多岁了，他深知自己不是蒙古人的对手，如果再继续抵抗，整座城会被蒙古人的投石机砸为齑粉。为了城中百姓，也为了自己的全家老小，卡迭尔带着妻儿老小二十多人来到了旭烈兀的大营，表示归顺。
旭烈兀对卡迭尔的投诚非常满意，他高规格的接待了后者一家，和颜悦色的安抚了他，告诉他只要投降，他们就会得到蒙古大军的保护，他们全家的财产将得以保存，为了给其他各城树立一个榜样，旭烈兀还委任卡迭尔继续做该城的长官，其子女也各有封赏。
塔黑特城堡的和平解决给其他各堡带了个好头，一时间，东部诸堡纷纷献城投降，旭烈兀势如破竹，一连招安了数十座城堡。看样子，他不需要大动干戈就能将整个木剌夷国拿下了。然而，旭烈兀很快发现木剌夷国并非都像卡迭尔那样好说话，一个大钉子横在了大军的面前，让蒙古大军吃了不少苦头，颇费了番周折。