Уничтожив ассасинов в Персии, Хулагу и монгольские армии двинулись на главное средоточие ортодоксального ислама — Багдад. Халиф аль-Мустасим, тридцать седьмой правитель из династии Аббасидов и сын халифа аль-Мустансира от эфиопской рабыни, надеялся возродить могущество и славу своего престола. После упадка хорезмийцев халифат сохранял независимость, а соперничество между Каиром и Дамаском позволило халифу взять на себя роль арбитра ислама. Ал-Мустасим окружил себя пышностью и церемонностью, но был человеком слабым и глупым, которого интересовали одни развлечения. Его двор раздирала вражда между визирем, шиитом Мувайяд ад-Дином и секретарем халифа, суннитом Айбеком, который пользовался поддержкой наследника трона. Багдад был основательно укреплен, и халиф мог созвать большую армию. Одной конницы у него было 120 тысяч человек. Но она держалась на военных бенефициях, а аль-Мустасим не мог доверять своим вассалам. Поэтому он последовал совету визиря, сократил армию и отдал сэкономленные таким образом деньги монголам в качестве добровольной дани, рассчитывая, что теперь они его не тронут. Эта политика умиротворения могла бы дать свои результаты, если бы ее проводили последовательно. Но когда Хулагу в ответ потребовал себе прав сюзерена, в тот момент возобладало влияние Айбека, и халиф высокомерно отверг это притязание.

Хулагу приступил к кампании с некоторым трепетом. Далеко не все его астрологи давали ему обнадеживающие прогнозы, и он опасался предательства со стороны собственных вассалов-мусульман и вмешательства правителей Дамаска и Египта. Но он принял предосторожности против измены, а спасать Багдад никто не пришел. Между тем к нему подошли подкрепления — контингент из Золотой Орды, войска, которые в последние десять лет держал Байджу на границах Анатолии, а также полк грузинской конницы, которой не терпелось ударить по столице басурман.

В конце 1257 года монгольская армия выдвинулась со своей базы в Хамадане. Байджу с его войсками переправился через Тигр у Мосула и пошел по западному берегу. Китбука и левый фланг вступили на Иракскую равнину ровно на востоке от столицы, а Хулагу и центр наступали через Керманшах. Главная армия халифа под началом Айбека вышла навстречу Хулагу, как вдруг узнала о подходе Байджу с северо-запада. Айбек вернулся на другой берег Тигра и 11 января 1258 года столкнулся с монголами возле Анбара, примерно в 30 милях (около 48 км) от Багдада. Байджу сделал вид, что отступает, и таким образом заманил арабов на болотистую низину. Затем он послал инженеров сломать плотины на Евфрате. На следующий день битва возобновилась. Силы Айбека оттеснили на залитые водой поля. Только сам Айбек и его телохранители сумели спастись и вернулись в Багдад. Основная часть его армии полегла на поле боя. Уцелевшие бежали в пустыню и рассеялись.

18 января Хулагу появился перед восточными стенами Багдада, а к 22-му числу город был полностью окружен, и через Тигр выше и ниже городских стен пролегли лодочные мосты. Багдад лежал на двух берегах реки. Западный город, где располагался бывший халифский дворец, теперь представлял не такую важность, как восточный, где были сосредоточены здания правительства. По восточным стенам монголы и нанесли свои самые тяжелые удары. Аль-Мустасим начал терять надежду. В конце января он послал договариваться к Хулагу своего визиря, всегда выступавшего за мир с монголами, и несторианского патриарха, который, как надеялся халиф, мог бы упросить Докуз-хатун заступиться за него. Но их отослали назад, даже не выслушав. После страшного обстрела в первые недели февраля восточная стена зашаталась и рухнула. 10 января, когда монгольские войска уже хлынули в город, к Хулагу вышел халиф и сдался на его милость вместе с главными командирами армии и чиновниками государства. Им приказали сложить оружие и потом всех перебили. Пощадили только халифа — до тех пор, пока Хулагу не овладел городом и дворцом 15 февраля. После того как халиф раскрыл перед победителем все свои тайники с сокровищами, его тоже предали смерти. Между тем по всему городу продолжалась бойня. Убивали всех — и тех, кто сразу сдавался, и тех, кто упорно продолжал сопротивляться. Женщины и дети гибли рядом с мужчинами. Один монгол нашел в переулке сорок младенцев, матери которых были мертвы. Из милосердия он убил и детей, зная, что они и так умрут от голода, ведь их некому было кормить. Особенно свирепствовали грузинские войска, которые первыми ворвались за стены. За сорок дней погибло около восьмидесяти тысяч жителей Багдада. Единственными уцелевшими были те счастливчики, кто успел спрятаться в подвале и никому не попался на глаза, да и некоторых красивых девочек и мальчиков оставили в качестве рабов, кроме того, по особому распоряжению Докуз-хатун не тронули христианскую общину, спрятавшуюся в церквях.

К концу марта от разлагающихся трупов поднялся такой невыносимый смрад, что Хулагу вывел свои войска из города, опасаясь мора. Многие уходили с сожалением, думая, что там еще остались ценные вещи. Но Хулагу завладел громадными сокровищами, которые накопили аббасидские халифы за пять веков. Отослав порядочную долю брату Мункэ, Хулагу без помех удалился в Хамадан, а оттуда в Азербайджан, где построил сильный замок в Шахе, на берегу озера Урмия, чтобы хранить там свое золото, драгоценные металлы и камни. Наместником в Багдаде он оставил бывшего визиря Мувайяда, за которым пристально следили монгольские чиновники. Патриарх-несторианин Макика получил богатые дары и бывший дворец халифа в качестве резиденции и церкви. Багдад постепенно отчистили и привели в порядок, и сорок лет спустя он стал процветающим провинциальным городком в десять раз меньше прежней величины.

Новости об уничтожении Багдада произвели большое впечатление на всю Азию. Христиане повсюду в Азии возрадовались. Они с ликованием писали о падении второго Вавилона и славили Хулагу и Докуз-хатун как новых Константина и Елену, Божьи орудия воздаяния врагам Христа.

Для мусульман же оно стало чудовищным потрясением и вызовом. Аббасидский халифат в течение многих веков не обладал большой материальной силой, но его моральный авторитет был все еще велик. Ликвидация династии и самой столицы оставила пустующим место предводителя ислама, и его мог захватить любой амбициозный мусульманский вождь. Да и христиане радовались недолго. Вскоре ислам завоевал самих завоевателей. Но по единству мусульманского мира был нанесен такой удар, от которого он уже не оправился. Падение Багдада, последовавшее через полвека после падения Константинополя в 1204 году, навсегда положило конец тому прежнему уравновешенному двоевластию между Византией и халифатом, при котором так долго процветали народы Ближнего Востока. Больше он никогда не будет центром цивилизации.

Разрушив Багдад, Хулагу обратил взор на Сирию. Первым его шагом было укрепление монгольского владычества над Джезире и, в частности, подавление правителя Майяфаракина, Айюбида аль-Камиля, который отказался поклониться монголам и даже велел распять сиро-яковитского священника, который явился к нему в качестве посланника Хулагу. Перед тем как покинуть лагерь под Марагой, Хулагу принял у себя послов из многих государств. Старый атабек Мосула, Бадр ад-Дин Лулу, пришел просить прощения за прошлые проступки. Вскоре после этого прибыли два сельджукских султана, сыновья Кей-Хосрова, Кей-Кавус II и Кылыч-Арслан IV. Первый, противостоявший Байджу в 1256 году, тщетно пытался умаслить Хулагу грубой лестью, которая только возмутила монголов. Наконец, ан-Насир Юсуф, правитель Халеба и Дамаска, послал своего сына аль-Азиза смиренно принести присягу завоевателю. Майяфаракин осадили и взяли в начале 1260 года, во многом благодаря помощи грузинских и армянских союзников Хулагу. Мусульман перебили, христиан пощадили. Аль-Камиля пытали, заставляя есть его собственную плоть, пока он не умер.