攻占大理后，虽然在形势上对南宋完成了包围，但这种包围在实际的战争中没有发挥出太大的作用。 一是大理国虽灭，在大理的蒙军却陷入与周边小国无休止的缠斗之中，前后花了七年才最终平定大理区域。 二是仅剩的两万蒙古军队，虽然数次自南突入宋国的广西、湖南之地，但兵力太少，根本无法撼动南宋的京湖防线。 最后还是在忽必烈派兵接应之下，兀良合台所率的蒙古军队才得以北撤。 同时，由于大理与蒙古汗国之间相隔过于遥远，在兀良合台完全灭掉大理之后，蒙古汗庭依然无法获得对大理的实际管辖，使留守大理的蒙古军队一直处于半独立的状态。 直到南宋灭亡之后，忽必烈才真正开始对大理实行有效的管辖。
忽必烈带去十万远征军，近半是蒙古军队的精锐。长途艰难跋涉中，就粮极其困难。沿途天堑遍布，多为不毛之地。十万蒙古军队，到大理灭国之后，仅存二万，战马更是损失了四十万匹。其带来的直接后果是，蒙古帝国可用兵力直接减少了十万。在随后蒙哥发动的攻宋之战中，其亲率的西路军，总兵力只有四万人。缺兵少马，这是蒙哥攻宋失败的最主要原因之一。由此可见，忽必烈耗费了蒙古国巨大的兵力财力所发动的远征，仅仅成就了自己的名声。1254年1月2日，忽必烈攻克大理城，国王段兴智投降，大理国灭亡，云贵高原并入大蒙古国版图。1256年，段兴智前往漠北和林皇宫觐见蒙哥，被蒙哥任命为大理总管，子孙世袭。
成吉思汗在世的时候，把也儿的石河（额尔齐斯河）以西的草原，即谢米巴拉金斯克、阿克模棱斯克、图尔盖、乌拉尔斯克、阿台和花剌子模本土，分给长子术赤。术赤在1227年6月去世，之后，成吉思汗把这块领土分给他的儿子们，特别是次子拔都。1236-1240年的远征后，这块领土又增加了原来钦察人和保加尔人的全部地盘，此外，拔都还成为了罗斯诸公国的宗主。蒙哥打算同时征服西亚和南宋。
拖雷家族取代窝阔台家族，拔都是支持蒙哥即位的最大出力者，因此出于和拔都的盟友关系，把注意力转到了别的地方。蒙哥曾经对来访的欧洲教士鲁布鲁克说：他与拔都的权力，像太阳光一样，普照整个世界。因此，蒙哥向外扩张，只有两个方向：南宋和西亚。1253年，在斡难河的源头，蒙古帝国召开了又一次大忽里勒台。蒙哥决定派他的两个弟弟开始新的征服事业：忽必烈先征大理，从侧背形成对南宋的包围，从而一举灭宋。由旭烈兀展开的第三次西征，主要的进攻方向是木剌夷国、阿拔斯国、叙利亚阿尤布王朝。
旭烈兀是拖雷的第五子，与蒙哥、忽必烈是同母兄弟。18岁那年，他随堂兄拔都远征，横贯东欧大草原，一直打到了今匈牙利境内。在与匈牙利马札尔人的战争中，他与速不台分兵五路，大败马札尔军队于都宁河。这次西征对年轻的旭烈兀意义重大，使他积累了实践经验和政治资本。在随后蒙哥打击窝阔台系势力中，旭烈兀受命察视失烈门等人，为蒙哥的统治立下了汗马功劳。1253年，旭烈兀率主力军出发渡过阿姆河，带着蒙哥给他的“从阿姆河两岸到埃及尽头的土地都要遵循成吉思汗的习惯和法令。对于顺从你命令的人要赐予恩惠，对于顽抗的人要让他们遭受屈辱”的嘱托，从此离开了生他养他的蒙古大草原，也离开了蒙古贵族之间的勾心斗角，到一片全新的天地去开拓他的世界了。
首当其冲的，是里海以南的亦思马因派穆斯林宗教国——木剌夷国，这一派别是历史上有名的穆斯林“刺客派”，热衷于培养刺客刺杀敌对方的领导人。该派别曾因企图组织刺客刺杀蒙哥，而同蒙古人结下了深仇大恨。旭烈兀分三路大军进攻，自己亲率中路军，很快就攻陷了教主忽儿沙的城堡。亦思马因派90多座城堡被毁，忽儿沙在押解途中被杀，这一伊斯兰教中颇有实力的派别从此就在历史上消失了。
接着遭殃的是巴格达的阿拉伯阿拔斯王朝哈里发。阿拔斯王朝因擅长同各种侵略势力周旋，保全自己至少作为穆斯林宗教领袖的地位，到这时已传了36代，历经508年。但这一次，哈里发谟斯塔辛对旭烈兀的态度十分傲慢，这使他成了末代哈里发。旭烈兀先用决堤放水淹没了哈里发的主力军和统帅，接着以一场精彩的围城战迫使哈里发弃城出降。一场历史上罕见的大屠杀展开了，数十万居民死于非命，有着500年文化积累的巴格达城遭受了浩劫，哈里发本人则被纵马踏死。
巴格达的改旗易帜使伊斯兰世界陷入了恐慌状态。但旭烈兀仍没有停下他的脚步，他的下一个目标是叙利亚。在攻打叙利亚之前，他已接受了亚美尼亚国王和安条克国王的归诚。当时的叙利亚名义上属于阿尤布王朝（行政中心在埃及），实际由国君纳昔尔统治。旭烈兀没有接受纳昔尔的求和，从1259年到1260年，他先后攻下了阿勒颇和大马士革。但就在此时，一个突发事件改变了中东诸民族和教派的命运。旭烈兀获悉长兄蒙哥汗在南宋四川地区战死，诸兄弟陷入了汗位的争夺，决定率主力东归，只留下怯的不花率领5000人留守叙利亚。此次西征，旭烈兀军队还到达了地中海诸国，使这些地区大为震动。东罗马朝廷和西欧诸国纷纷派来使者，与旭烈兀联络，欲与其联盟，共讨回教国家。但是此时，蒙哥汗死讯传来，旭烈兀率军回至波斯，留先锋怯的不花镇守叙利亚，自己率部而归。同年九月，怯的不花军队被密昔儿(今埃及)打败，怯的不花也战死沙场，第三次西征到此结束。
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