В конце 1257 г. монгольская армия вышла из места сбора, Хамадана. Монголы выступили тремя армиями: на левом фланге армия Китбуки вышла к Тигру к юго-востоку от Багдада, на правом — армия Байчу переправилась через Тигр у Мосула, в центре сам Хулагу выдвинулся к Багдаду через Керманшах. Айбек, вышедший вначале навстречу Хулагу, узнав о приближении Байчу, снова перешел на западный берег Тигра и двинулся против него. Армии встретились 11 января 1258 г., в 50 километрах к западу от Багдада. Байчу ложным отступлением заманил мусульман на болотистую равнину у Евфрата и разрушил за ними защитную дамбу на реке. На следующий день армия Айбека была оттеснена на залитые водой поля и лишена подвижности. Только Айбеку с личной охраной удалось ускользнуть верхом по воде в Багдад. Большая часть его армии была окружена и уничтожена, меньшая — отступила на юг в пустыню и там рассеялась.
18 января 1258 г. Хулагу подошел с востока к стенам Багдада. Через несколько дней, наведя наплавные мосты выше и ниже города, он его полностью окружил. Город лежал на обеих сторонах реки. Главный удар Хулагу направил против восточной, более богатой части города, где находились дворцы и правительственные здания. В конце января потерявший всякие надежды аль-Мустасим отправил на переговоры с Хулагу визиря Мувайяд ад-Дина и несторианского патриарха Багдада. Хулагу их даже не принял. Тем временем от постоянного ожесточенного обстрела городские стены начали обрушиваться. 10 февраля, после того как в город уже проникли небольшие группы монголов, халиф вместе со своими сановниками и военачальниками вышел из города и сдался Хулагу. Рассказывает мусульманский хронист: «В воскресенье, в четвертый день месяца Сафар 656 года, халиф покинул Багдад; при нем находились три его сына… и три тысячи человек — сеиды, имамы, кади… Он явился к Хулагу, который нисколько не обнаружил гнева, а мягко и доброжелательно задавал ему вопросы. Затем он сказал ему: "Прикажи жителям Багдада выдать их оружие, чтобы мы могли произвести перепись". Халиф послал доверенного человека, который объявил на улицах города, чтобы население бросило оружие и вышло из города. Безоружные горожане толпами вышли изъявить покорность монголам, которые немедленно перерезали их».
Халиф был задавлен грудой ковров 15 февраля после того, как передал монголам свои сокровища. В течение 40 дней в городе были убиты 80 тысяч человек. Особую ожесточенность проявили грузины. Спаслись немногие укрывшиеся в подвалах, некоторое количество женщин и детей были оставлены как рабы, христианская община, укрывшаяся в церквах, по приказу ханши-христианки Докуз Катун получила пощаду.
Опасаясь эпидемий, в конце марта Хулагу вывел войска из Багдада в Хамадан, а затем в Азербайджан. Он завладел огромными сокровищами, которые халифы собирали в течение пяти столетий, и значительную часть переслал Мункэ. В Багдаде он оставил наместником визиря Мувайяд ад-Дина под наблюдением монгольских чиновников. Через 50 лет после падения Багдад едва смог достичь десятой части своего прежнего населения. На берегу озера Урмия у Мираге Хулагу построил крепость, где хранил свои богатства. Он провозгласил себя государем и получил от великого хана Мункэ титул ильхана (хана улусов — повелителя народов).
Известие о падении Багдада произвело тягостное впечатление на мусульман Азии. Был положен конец халифату Аббасидов, просуществовавшему более пяти столетий. Уничтожение халифата сделало возможным любому честолюбивому мусульманскому вождю объявлять себя главой ислама. На Западе вести о падении Багдада — Второго Вавилона были встречены с восторгом, Хулагу и Докуз Катун сравнивали с императором Константином и Еленой и ожидали он них дальнейших благодеяний христианству и мести врагам Христа. Падение Багдада через полстолетия после падения Константинополя положило конец силовому равновесию между Византией и халифатом, обеспечивавшему Ближнему Востоку господствующее положение в цивилизации. Цивилизации Востока никогда не удастся оправиться от этих ударов.
В своем лагере у Мираге Хулагу принял послов правителей близлежащих государств. К нему прибыл с просьбой о пощаде атабек Мосула Бадр ад-Дин Лулу, затем явились с льстивым выражением покорности сыновья рум-сельджукского султана Кайкосро Кайкос II и Кылыч Арслан IV. Султан ан-Насир Юсуф, правитель Дамаска и Алеппо, прислал сына аль-Азиза, который принес Хулагу вассальную присягу.
Теперь на очереди у Хулагу была Сирия. Но прежде нужно было наказать в Джазире князя Майяфаракина Айюбида аль-Камила, который не покорился ранее монголам и даже казнил посланного к нему Хулагу яковитского священника. Майяфаракин был осажден и взят штурмом, в котором активное участие принимали христианские отряды грузин и армян. Мусульмане Майяфаракина были перебиты, христиане пощажены. Аль-Камила заставили есть собственное мясо.