Несмотря на то что Кейхусров II унаследовал чрезвычайно влиятельную и сильную империю, через некоторое время опять активизировались центральноазиатские племена. Сейчас это были монголы, орды которых двинулись на запад, сопровождая свое продвижение невероятными жестокостями и сея страх среди мирных жителей соседних стран. Каждый новый слух или сообщение о монголах все больше пугали мирных жителей, и в конце концов тысячи охваченных паникой беженцев оставили свои дома и поля на разграбление захватчиков и устремились прочь из родных мест. Бежали не только состоятельные люди, но и бедняки, потенциальные преступники и безобидные крестьяне, свободолюбивые дервиши и скромные паломники. Многие из них добрались до Румского султаната, на жителей которого один вид этой толпы нагнал страх; их дурные предчувствия еще больше усилились, когда дервиши в проповедях начали подстрекать беженцев и местных крестьян поднять восстание. Многие дервиши фактически забыли о своем призвании и занялись политикой – в проповедях они утверждали, что султан якобы хочет пожаловать иностранным купцам торговые концессии, отдавая при этом предпочтение христианам. Такие речи способствовали росту недоверия к власти, и вскоре волнения охватили такие широкие массы народа, что султан в армии был вынужден больше полагаться на наемников-христиан, чем на собственных подданных. Этот факт, в свою очередь, заметно подхлестнул волну вредных для султана слухов.
На первом этапе наступление монголов, возможно, сдерживала слава сельджуков-воинов, поэтому сначала монгольские орды вторглись в южные регионы Восточной Европы и покорили их. Часть монголов обосновалась в низовьях Волги и Дона и образовала там свое государство Золотую Орду, а другая стала сувереном Киевской Руси. Тем временем, поняв, что исчезновение Хорезма очень упростило им путь в Персию, монголы второй волной прошли по этой стране и завоевали Багдад. Еще при жизни Кейкубада монголы начали нащупывать путь в Малую Азию, а кончина султана ускорила их приход туда; по пути они заставляли сниматься с места те тюркские племена, которые совсем недавно поселились у восточных границ Рума. Среди согнанных с места кочевников-огузов был род Кайи – ему было суждено войти в историю под именем Османов. В Малую Азию их привел вождь Сулейман. По преданию, однажды сын и преемник Сулеймана Тогрул увидел две группы ожесточенно сражавшихся всадников. Стараясь понять, какая из них слабее, Тогрул довольно долго выжидал, а потом со своими людьми бросился на помощь слабой стороне. Эта встреча оказалась поистине счастливым случаем для Тогрула, ведь он помог самому султану Сельджукидов и его телохранителю, когда те бились с монголами. Благодарность Кейхусрова не знала границ, в награду за помощь он подарил Тогрулу земельный надел в Карача-Даге – от Эскишехира почти до Коньи, включая Сёгют и Доманич. Кстати, именно в Сёгюте родился и в 1324 году был похоронен сын Тогрула Осман.
В 1241/42 году монголы осадили и затем захватили Эрзурум. Их приближение убедило Кейхусрова в том, что ему самому скоро придется противостоять захватчикам и что это лишь вопрос времени, поэтому султан начал собирать войско. Он собрал под свои знамена 70 тысяч человек и поручил командование армией грузину, князю Шервашидзе. Войско монголов было менее многочисленным, им командовал Байчжу; в нем тоже служили грузинские и армянские наемники. Войска султана и монголов встретились в сражении 26 июня 1242 года неподалеку от Косе-Дага на дороге из Сиваса в Эрзинкан. Во время боя Шервашидзе был убит; услышав об этом, воины армии сельджуков, выходившие победителями из огромного числа схваток с сильными врагами самых разных национальностей, растерялись перед лицом известных своей свирепостью монголов.
Бросив лагерь с разноцветными шатрами командиров, сельджуки бежали, они оставили врагу даже шатер своего султана и его личное знамя с изображенным на нем львом на привязи. После Косе-Дага монголы двинулись на Токат и Кайсери, грабя все попадавшиеся на их пути селения; поручив двум сохранившим ему верность подданным – эмиру Мудхахиб ад-дину и кади Амасьи – вести переговоры об условиях заключения мира, Кейхусров бежал в Конью. Надежды султана на то, что ему удастся склонить Балдуина II к союзу против монголов, не оправдались, и в обмен на сохранение своей, правда, всего лишь номинальной, власти Кейхусрову пришлось принять бремя вассальной зависимости.