В 1257 г. Хулагу был готов выступить на Багдад. Он послал угрожающее письмо с требованием сдаться, на которое Мостассем ответил гневным отказом. Хулагу пришел в ярость и объявил о предстоящем вторжении. Халиф, считавший, что его защищает сам Бог, прислушался к советам одного из своих министров, «маленького деватдара» Мунджахида-ад-Дина Аибека, который убеждал его в необходимости стоять на своем до конца. При этом халиф не обращал внимания на предупреждения своего визиря, Мувейд-ад-Дина, и обвинил его в пособничестве монголам. Полководец Сулейман-шах собрал большую армию, но скупой Мостассем не платил воинам жалованья пять месяцев, пока они не подняли мятеж.
В 1257 г. Хулагу двинул войска с северных иранских гор, в то время как Хормаган и Байджу шли с запада, со стороны Рума. Подкрепление ожидалось и со стороны улуса Джучи.
Армия халифа под командованием Фатх-ад-Дина Ибн Керра, располагавшаяся на восточном берегу Тигра, пересекла реку, чтобы встретить Байджу и Богэ Тимура. Монголы разрушили плотину и затопили равнину позади врага. Потом они атаковали войска халифа и обратили их в бегство, убив 120 тысяч и еще больше утопив в грязи. «Маленькому деватдару» с несколькими приближенными удалось убежать в Багдад, но люди Байджу достигли западного пригорода, а в начале 1258 г. Хулагу и Кетбогэ завершили окружение с востока.
Монголы осаждали город, окруженный рвом и стенами, пока не пробили восточную стену у Персидской башни. Халиф запросил мира, но послов прогнали обратно и в течение шести дней обстреливали город камнями и бревнами с гор. Через стены пускали стрелы с обещаниями, что всякий, кто сложит оружие, будет пощажен. Когда Персидская башня обрушилась, монголы штурмом взяли вал, заняли всю восточную часть города и схватили всех, кто пытался спастись бегством на лодках. Увидев монголов на стенах, халиф сдался. Монголы перебили его военачальников и личную гвардию, а также еще 8000 человек. Халифа заставили показать сокровища, накопленные за пять столетий, которые перевезли в лагерь Хулагу, а потом его затоптали насмерть копытами лошадей.
Бывшего визиря назначили правителем и приказали восстановить разрушенные постройки. Другие города безропотно сдались. У монголов образовался немалый запас драгоценностей. Награбленное перевезли в Азербайджан, где Хулагу намеревался учредить свою «орду». Три пятых добычи он обещал Мункэ. Перейдя в Сирию, монголы взяли Алеппо и перебили все его население, за исключением ремесленников. Дамаск и вся Сирия покорились им.
