旭烈兀西征，又称蒙古第三次西征，是由蒙哥汗之弟旭烈兀率领，是大蒙古国继成吉思汗西征花剌子模及长子西征后的第三次大规模的西征，亦是大蒙古国最后一次西征。这次西征蒙古占领了阿拉伯帝国的阿拔斯王朝、木剌夷国及叙利亚的阿尤布王朝。
征战木剌夷国
宋宝祐元年（1253年）7月，旭烈兀命令将领怯的不花率12000人率先进攻，为主力军作准备。而旭烈兀则仍留在和林，继续筹建主力西征军，为长征作准备。宝祐二年（1254年）10月，旭烈兀率西征军出征。旭烈兀大军经过阿力麻里（即现今中国新疆霍城西北方的阿脱诺克），到达土耳其斯坦（又译为突厥斯坦，即现今土库曼斯坦）。
宝祐三年（1255年），西征军驻在土耳其斯坦。宝祐四年（1256年）九月，西征军攻进撒麻耳干（即现今乌兹别克斯坦），驻留40日后，继续进军至铁门关(即现今乌兹别克南方)，又在这里驻留了30日。六年春，西征军向木剌夷国（即现今伊朗北方）进军。
当时的木剌夷国军队兵力约有100000人，在库希斯坦（即现今阿富汗和伊朗北部交接处）。由西征军将领怯的不花领先锋，进入木刺夷国境后，先攻陷几个城池，再后包围要邑古儿都苦。怯的不花部队消灭了木刺夷军一半兵力。
后来西征军通过撒麻耳干，向木刺夷接近。后来西征军进入水干城，旭烈兀命令拜住带领主力军移往小亚细亚。之后，主力军进攻至撒瓦。旭烈兀派库喀伊尔喀支援怯的不花，攻打库希斯坦。而后与主力军聚合。主力军经过徒思，抵达尼沙不耳州哈不衫。旭烈兀见不能一时战胜，所以采用消耗战。
宝祐四年（1256年）6月，鲁克赖丁见到西征军进攻，便派弟沙歆沙投降，又把要塞拆掉。后来，旭烈兀觉得鲁克赖丁假意投降，便把西征军分为三部，向木刺夷都城麦门底司堡（即现今伊朗剑北部吉兰省内）进军。鲁克赖丁于11月19日投降。12月，西征军进入兰麻撒耳。当时塔亦儿不花军和波斯军攻打兰麻撤耳堡，并将兰麻撤耳攻克。至此，木剌夷国全部被旭烈兀占领。
宝祐四年（1256年），蒙哥大汗册封旭烈兀为伊儿汗。旭烈兀所建立的国家正式成为伊儿汗国。
征战阿拔斯王朝
宋宝祐五年（1257年）9月21日，旭烈兀率军向阿拉伯帝国阿拔斯王朝（即现今伊拉克）进攻。阿拔斯王朝末代哈里发穆斯台绥木宣战，建成7万军开战。旭烈兀首先派怯的不花率领骑兵，进入木刺夷和阿拔斯之间的山地，打开从哈马丹通往巴格达通道，接着，分三路进攻阿拔斯。11月，三军同时向阿拉伯帝国阿拔斯王朝首都巴格达进军。
中军攻破开尔曼沙，于12月18日，进军火勒完。这时，左军占领罗耳之地；右军在塔克利特（即现今伊拉克巴格达附近）渡过底格里斯河，与阿拔斯军遇见，拜住用水淹阿拔斯军后歼灭阿拔斯军。穆斯台绥木后令增强巴格达的城墙，布置障碍防阵。
于宝祐六年（1258年）1月，围攻东巴格达。2月，穆斯台绥木带领皇子、贵族和官员投降，阿拉伯帝国阿拔斯王朝正式灭亡。
征战阿尤布王朝
旭烈兀之后继续向西进攻。进入阿拉伯地区，战胜巴尔苏丹。宋宝祐六年（1258年）9月，大军进军叙利亚阿尤布王朝。叙利亚的军队约有100000人。蒙古分军为三进攻。至开庆元年（1259年）3月21日，蒙古大军围攻大马士革。于4月6日大马士革投降。
大蒙古国占领了叙利亚大部份国土。阿尤布王朝至此名存实亡，仅统治着哈马一隅。后来旭烈兀又继续进军小亚细亚并战胜巴尔干联军。旭烈兀命郭侃过海，攻陷富浪国（即现今塞浦路斯）。拜占庭帝国与西欧众国均派使者与旭烈兀会面，有意联盟。旭烈兀后来准备进军埃及。但于同时，蒙哥于合州暴死，怯的不花受旭烈兀命令，固守叙利亚，而旭烈兀则班师。
9月，埃及的军队在大马士革南方阿音扎鲁特(艾因.贾鲁战役）大败蒙古军，制止了大蒙古国的扩张野心。大蒙古国的第三次西征正式结束，蒙古三次西征亦正式完结。