1219年，成吉思汗攜其子術赤、察哈臺、窩闊臺、托雷，率蒙古大軍越過錫爾河上游，西征花剌子模汗國，先后攻占布哈拉、撒馬爾罕、木鹿、巴勒黑、內沙普爾、赫拉特、馬什哈德諸地，繼而洗劫伊朗西部重鎮萊伊和加茲溫，1224年班師返回蒙古草原，稱為首次蒙古西征。花刺子模沙在蒙古大軍的追擊下一路西逃，直至死于里海之上的一處小島。蒙古大軍所到之處經歷了前所未有的殺戮，慘絕人寰，諸多城市毀于戰火，屠城幾乎成為蒙古征服的代名詞。
1229年起，成吉思汗之子托雷率領蒙古大軍再次西征，經伊朗北部進入高加索南部、美索不達米亞和安納托利亞東部，1236年和1237年兩次兵抵巴格達城下。
1252年，托雷之子旭烈兀率領蒙古大軍第三次西征。1255年，蒙古大軍進入中亞。1256年，蒙古大軍進入伊朗北部，摧毀什葉派激進分支阿薩辛派據點阿拉木特城堡。1258年，蒙古大軍攻占巴格達，歷時500年之久的阿拔斯王朝滅亡。隨后，蒙古大軍進入敘利亞。1260年，埃及馬木路克王朝出兵敘利亞，在艾因·扎魯特擊敗蒙古大軍，繼而將蒙古大軍趕出敘利亞，終止了蒙古大軍的征服步伐。
1264年，忽必烈繼任蒙古大汗，冊封旭烈兀（1264-1265年在位）為伊爾汗，其領地稱伊爾汗國（1264-1335）。旭烈兀死于1265年，死后葬于烏爾米耶湖中的小島。旭烈兀之子阿巴哈（1265一1282年在位）繼承伊爾汗的稱號，得到大汗忽必烈的認可。阿巴哈在位期間，伊爾汗國與埃及馬木路克王朝爭奪敘利亞，屢次激烈交鋒，直至1281年兵敗霍姆斯。在東方戰場，伊爾汗國于1270年在赫拉特擊敗察合臺汗國，1273年攻入河中。
相比于塞爾柱人通常選擇城市作為自己的駐地，伊爾汗國的蒙古人通常選擇以城外的帳篷作為駐地。阿塞拜疆盡管靠近宿敵金帳汗國，然而水草豐盛，適合伊爾汗國統治者的游牧生活，始終是伊爾汗國的定都之首選。伊爾汗國初建之時，定都阿塞拜疆城市馬拉加；阿巴哈在位期間，伊爾汗國都城從馬拉加遷到大不里士。
伊爾汗國前期，實行蒙古化的統治政策，遵循蒙古祖制和草原部落社會的傳統。伊爾汗作為蒙古大汗的附庸和封臣，實行兄終弟繼的汗位傳承。另一方面，不同于成吉思汗的征服，旭烈兀之征服，除巴格達外，較少毀壞被征服地區，沿襲伊朗原有的官僚體制，起用波斯貴族征納貢稅，旨在維持財源。
1282年阿巴哈死后，蒙古貴族擁立旭烈兀之子鐵古迭兒（1282一1284年在位）繼承汗位。鐵古迭兒即位后，宣布皈依伊斯蘭教，改名艾哈邁德。鐵古迭兒此間曾經派遣使臣前往開羅，試圖與埃及馬木路克王朝結盟，遭到拒絕。1284年，阿巴哈之子阿魯渾反叛，處死鐵古迭兒，登上汗位寶座。阿魯渾（1284-1291年在位）即位后，摒棄伊斯蘭教信仰，恢復蒙古祖制，同時倚重基督徒和猶太人。阿魯渾死后，阿巴哈之子海合都（1291一1295年在位）即位。1295年，阿魯渾之子合贊汗即位（1295—1304年在位）。合贊汗即位后，處死旭烈兀的子嗣，消除汗位爭奪的隱患，伊爾汗國由此進入相對穩定的時代。
蒙古人原本信奉薩滿教，旭烈兀則曾青睞佛教，在伊朗高原廣建佛教寺廟。另一方面，伊爾汗國前期，面臨馬木路克王朝、金帳汗國、察合臺汗國的威脅。金帳汗國皈依伊斯蘭教后，與埃及伊斯蘭教統治者馬木路克王朝結盟，伊爾汗國則實行親基督教政策，試圖與十字軍以及歐洲基督教諸國結盟。據傳，羅馬教皇曾經有意爭取伊爾汗國皈依基督教，聶斯托利派教宗亞巴拉三世曾經為伊爾汗阿魯渾之子完者都洗禮，為其取名尼古拉斯，伊爾汗國派到歐洲的使臣亦大都來自敘利亞的聶斯托利派基督徒。盡管如此，伊爾汗國的歷代汗王均未皈依基督教。相比之下，伊斯蘭教是伊爾汗國境內的固有宗教，伊斯蘭教的信仰傳統在土著社會根深蒂固，伊爾汗國的統治者最終選擇伊斯蘭教作為官方信仰，進而加入了穆斯林的行列。
1295年合贊汗即位后，實行改革。首先，合贊汗宣布皈依伊斯蘭教，進而拆除境內的基督教堂以及瑣羅亞斯德教和佛教寺廟，廣建清真寺，規定所有佛教徒或者皈依伊斯蘭教，或者離開伊爾汗國，基督徒和猶太人重新成為被保護民，繳納人丁稅。其次，實行伊斯蘭教傳統的國家土地所有制，恢復塞爾柱時代的伊克塔，以軍事封邑供養戰士，保證國家兵源，明確規定占有國家土地的權利和義務，緩解作為征服者的游牧族群與作為被征服者的定居人口之間的敵對關系。第三，推行多項舉措，大力鼓勵農業生產和開墾荒地，修復水利設施。第四，廢除包稅制，實行政府直接征稅，根據地產面積和作物產量規定稅收標準，農民每年納稅兩次，游牧人口每年納稅一次。第五，統一貨幣，鑄造劃一的金幣和銀幣，完善驛道，每隔3法爾薩赫（約19公里）設立驛站，驛站管理納入政府體系。合贊汗的維齊爾拉施特作為史家記載了合贊汗的改革概況，而改革成效不得而知。另據記載，伊爾汗國的歲入，合贊汗即位之初為1700萬第納爾，合贊汗在位末期增至2100萬第納爾。
合贊汗死于1304年，時年33歲。合贊汗死后無嗣，阿魯渾之子完者都即位（1304-1316年在位）。完者都初奉遜尼派伊斯蘭教，1309年改奉什葉派伊斯蘭教，在位末期重新回歸遜尼派伊斯蘭教。拉施特曾經在合贊汗當政期間出任維齊爾，政績甚佳，完者都即位后得以留用。完者都在位期間，征服里海南岸的叢林地帶吉蘭，其所建陵墓位于蘇勒塔尼耶。完者都死后，其子阿布·賽義德（1316-1335年在位）即位，年僅11歲。阿布·賽義德死后無嗣，旭烈兀譜系隨之終結，伊爾汗國分裂，陷入政治真空，成吉思汗的后裔輪流登場，王室內江持續。1353年，末代伊爾汗脫合帖木兒（1337-1353年在位）死于古爾甘，伊爾汗國壽終正寢。
伊爾汗國地處東西方之間的貿易通道，時值近代之前東西方交往的歷史巔峰，馬可·波羅和伊本·白圖泰皆為此間著名的旅行家，見證了東西方交往的繁盛，元朝亦曾多次遣使經由陸路和海路前往伊爾汗國。
