1260年忽必烈即大汗位，封旭烈兀于波斯，旭烈兀在自己的封地内建立了伊利汗国。伊利汗国东起阿姆河，西迄小亚细亚，北接钦察汗国，南至印度洋，都城在帖必力思，报达是陪都。
经过成吉思汗、拔都、旭烈兀的三次西征，终于建立起地跨欧亚大陆的四大汗国。它们是察合台汗国、窝阔台汗国、钦察汗国及伊利汗国。四大汗国名义上是元朝皇帝的藩属，而钦察汗国和伊利汗国实际上变成独立国家。
蒙古人的西征不仅使西域人民惨遭杀戮，城市毁灭，生产荒废，长时间难以恢复元气；对蒙古人民来说，也没有一点好处。在对钦察人的战争中，十三四岁的蒙古小孩也被征发从军。当然，由于西征所到的地区不同，西征所造成的残破情况亦不同，因此西征的结果在各地区也不尽一致。马克思曾说：“蒙古人曾经使俄罗斯荒芜，他们的那种做法是适合于他们的生产、适合于畜牧的。因为大块无人居住的空地对于畜牧业是主要的条件。”伊利汗国合赞汗当政时期成为中世纪中近东一个经济繁荣、文化昌盛的国家。同时，西征在客观上打开了中西交通，使中西经济、文化的交流，民族的融合等在蒙元时期达到了一个新的高度。
名家回眸
对于旭烈兀的军事才能，亨利·里德尔哈特做出了这样的评价：
“在中世纪里，战略的最好例证并不出在西方，而是来自东方。13世纪，对于西方战略的发展来说，是一个卓有成效的年代。其所以显出光辉，是因为蒙古人给欧洲的骑士们充当了教师，使他们在战略方面得到了有益的教训。蒙古人所进行的各次战争，无论在作战的规模和艺术方面，在突然性和动机方面，还是在战略和战术上采取间接路线的行动方面，不仅不会逊色于历史上的任何战争，甚至于还要超越这些战争。”
忽必烈灭大理
10世纪初，南诏国统治者乌蛮（今彝族）蒙氏衰微，统治权为郑氏所取代，随后赵杨二氏相继争夺政权，但都立国不长。937年，白蛮（今白族）段氏兴，段思平团结白蛮、乌蛮各部力量，驱逐赵氏，取得政权，建都大理（今云南大理），是大理国的开始。大理国是中国宋代以白族为主体的少数民族在今云南一带建立的少数民族国家。
到13世纪中叶，大理国主段兴智微弱，国家大权落入大臣高氏手中。高氏党人恃势攻夺他族地区奴役其人民。乌蛮诸部势力强大者，更常常侵占其他弱族地区。大理国内除了固有的统治阶级与被统治阶级之间的矛盾外，显然还存在着大族与小族之间的矛盾。到大理国势衰弱时，有些原来处于附属地位的弱族强盛起来，摆脱了大理国的统治。如丽江麽些蛮称强于一隅，自立盟主治理本族事务；为南诏所征服的金齿人也逐渐收复故地，势力开始强盛起来。乌蛮、白蛮统治阶级内部也发生争夺地盘的斗争，产生割据现象，如建昌府原分四部，段氏一部强盛起来，吞并了其他酋长的地区，自为府主，大理国也不能压制。
与此同时，北方强大的蒙古部落却迅速兴起，并不断对外发动战争。在南下消灭了西夏和金国以后，它又将进攻的矛头直指偏安江南的南宋。蒙哥即位后，积极进行侵略南宋的战争准备。1252年，宪宗蒙哥派忽必烈率军南侵大理，以速不台子兀良合台总军事。计划在征服大理后，一方面可以利用西南少数民族军队增强侵宋的兵力，另一方面可以从背后包抄夹攻南宋的长江中游地区。参加忽必烈这次远征的，除了精锐的蒙古军队外，还有投降蒙古的汉族地主武装和色目人的军队。忽必烈还特别选择几个善于谋略、富有政治才能的汉族地主知识分子，如姚枢、刘秉忠、张文谦等从行参谋。这些参谋们建议忽必烈要采用怀柔政策，而不要多杀人。这年暮秋，忽必烈从蒙古起兵南下。
1253年夏，忽必烈驻扎在六盘山，等到诸军齐集，粮饷、器械准备充足，即于秋天进至临洮，取道吐蕃向大理进发。蒙古军师在忒剌（今四川松潘）稍加休息，然后分兵三路前进。这次出征的主要目的是征服大理，随后从南面合兵攻宋。只是由于四川这时还在南宋手里，不得不绕过路途艰险的吐蕃境，但这一次的进军吐蕃，在元代历史上却有着十分重大的意义。虽然在战略计划上仅是假道，然而实际上它本身就是一次与征服大理有同样地位的规模很大的军事行动。
这个时代，吐蕃正处在四分五裂的状态，忽必烈军经过吐蕃东部（今四川甘孜藏族自治州）时，藏族人民的生产和生活都受到极大危害。忽必烈进军其地，攻下许多城寨，穿过了雪山，分裂割据的吐蕃封建主们都不得不陆续投降强有力的蒙古统治者，使这个地区统一到蒙古的统治之下。事实上，元朝有些史料确实是把它与征服大理相提并论的。可惜因为在吐蕃境内的征战留下的记载绝无仅有，后人无法了解这个重大事件的详细过程。
1253年初冬，兀良合台西道军和忽必烈中道军穿过吐蕃，进入大理，在金沙江分别降服了大理北面四百余里的麽些蛮各部，麽些诸部酋长唆火脱因、塔里马、麦良等向蒙军投降，但也有一些麽些部落坚持抗战。忽必烈从这里遣使到大理招降，但使臣为大理国所杀。忽必烈与兀良合台又分军继续前进，攻下了大理国西部白蛮诸寨栅。许多白蛮部落都十分顽强地抵抗入侵之敌，直到寨栅被攻破。当忽必烈军包围了大理城时，西道兀良合台军亦至，取大理北部的龙首关，同攻大理城。大理国王段兴智与权臣高祥、高和兄弟背城出战，大败，忽必烈招之不降，他们弃城逃跑，大理城陷。忽必烈因其杀使，本欲屠城，幸亏汉人参谋张文谦等劝止，即命姚枢裂帛为旗，写上止杀的命令，传示于城内各街巷，大理人民始得免遭屠杀。忽必烈还命姚枢等搜访大理国图籍。东道兵这时也到达大理与大军会合，又从大理分军追击高氏兄弟，获之，斩于姚州（今云南姚安）。
1254年春，忽必烈留下兀良合台率军戍守大理，并继续征服大理境内未附诸部，又任命刘是中为宣抚使，然后率军北还，复经吐蕃境，回到关中。1254年秋，兀良合台领兵继续向东进取段兴智据守的押赤（今云南昆明）。蒙古军以精锐部队攻城，发炮摧毁城门，并纵火攻之，用尽各种办法仍然没有打下。押赤军民坚持了七天的抗战，终因力竭，城陷。段兴智逃至昆泽，被俘。1255年，兀良 合台遣送段兴智与其季父去蒙古见蒙哥汗。蒙哥用怀柔政策，不杀，并赐金符使归国，协同蒙古所委官员、将领安抚继续征服未附诸部。段兴智归国后，又献地图，统率本族军队帮助蒙古征服国中坚持抗战的各部落。蒙哥重新赐以“摩诃罗嵯”的称号，命其管理云南各族。
国王虽然投降，但大理各族人民仍然依阻山谷，坚守城寨，进行抗战。
1255年，兀良合台在攻下押赤府诸城后，命其子阿术领兵进取赤秃哥（今贵州西部）、罗罗斯（今四川凉山地区）等地。经过近两年的战争，蒙古才陆续征服了大理五城、八府、四郡之地和大部分乌蛮、白蛮部落。兀良合台在大理境内设置十九万户府，万户下分设千户、百户分管其地。1256年，蒙哥命兀良合台取道北上，与四川蒙古军会合。兀良合台遂领兵出乌蒙（今云南昭通），破秃剌蛮三城（今四川筠连一带），抵马湖江（今四川宜宾西南），败宋兵，进至合州（今四川合川），会师后还镇大理。1258年蒙哥大举攻宋，复命兀良合台率军北上，定于次年正月会师长沙，实施其从云南包抄南宋的原定计划。
大理人民的顽强抵抗，使蒙古军遭到很大损失。《史集》记载说，忽必烈与兀良合台率十万大军征云南，因为该地气候潮湿恶劣，军中疾病流行，加上大理国“居民极多、军队众多，因而每至一处，都遇到抵抗。因为这两个原因，十万军队得生还者不到二万人”。蒙古用武力征服了大理，并通过征服，又统一了大理各部。后来又按照内地制度设置郡县，使云南统一于元朝中央政府管辖之下，并在大理进行屯田，推广先进的汉族生产技术和文化。
名家回眸
忽必烈平定大理这一战役，对于忽必烈来说是非常重要的一次战争，这次战争使忽必烈取得了极高的军事声誉，为他成功地夺取汗位奠定了基础。忽必烈第一次军事远征取得的全面胜利，用事实向蒙古亲贵们展现了自己的军事能力。这次征战在历史上也具有重大的意义。云南自8世纪中叶南诏割据以来，历经五百余年的历史，至此才真正与祖国内地复归于统一。这对我国多民族统一国家的发展，对云南地区经济、文化的进步，都有着重要的积极意义。