伊利汗國在西道兀魯思中建國最晚，它的疆域，東北到阿姆河，西北到太和嶺（今高加索山脈），南臨波斯灣，西面到幼發拉底河。國都先后在篾剌合（今伊朗馬臘格）、桃里寺（今伊朗大不里士）、遜丹尼牙（今伊朗蘇丹尼耶）。
1251年，蒙哥汗決定把波斯總督的職位交給他的弟弟旭烈兀，指令他必須讓從阿姆河兩岸到埃及盡頭的土地，都要遵循成吉思汗的習慣和法令。在征服了阿拔斯王朝后，旭烈兀攻陷阿勒波、大馬士革，整個穆斯林敘利亞為之恐懼。然而蒙哥的死讓旭烈兀停止了西進的腳步，他留下怯的不花鎮守大馬士革，自己率部返回波斯。旭烈兀回到波斯后，得悉忽必烈已經即大汗位，并與幼弟阿里不哥發生了汗位之爭，遂不再東返蒙古。他向爭位雙方派出使者，表達擁護忽必烈，指責阿不里哥。本來蒙哥旨意，要求旭烈兀征服阿拔斯王朝后即行東返，很明確被征服的波斯也是大汗的土地。而忽必烈遣使傳旨，將阿姆河以西直到埃及邊界的波斯國土劃歸旭烈兀統治。于是，原來應由大汗直接管轄的波斯地區，實際上成了旭烈兀的領地，從而建立了一個新王朝。
旭烈兀及其繼承者自稱伊利汗國，伊利，突厥語從屬之意，表明他從屬于忽必烈的中央汗國，因所居之地為古波斯，又稱波斯汗國。伊利汗國一直尊元朝為其宗主國，直至忽必烈去世為止。旭烈兀死后，其長子阿八哈繼位，但他說：“忽必烈合罕是長支，怎么能不經他的詔賜就即位呢？”由于國事急促，他在眾人推戴下登位治事，但在忽必烈的委命到達時，他還是鄭重其事地舉行了第二次即位儀式。阿八哈以后，奪得汗位的人，也都會立即向元朝要求冊封，將其視為合法性的最重要的依據。
1260年，怯的不花留守的蒙古軍，被埃及的馬木魯克聯軍徹底擊敗，旭烈兀也再沒有實現征服埃及和敘利亞的企圖。欽察汗別兒哥信奉伊斯蘭教，旭烈兀自己信奉佛教，但受其母唆魯禾帖尼和其妻脫古思可敦的影響，他偏袒基督教，對所過之地的穆斯林加大殺戮，處死他們的哈里發，遭到別兒哥的嚴厲指責。從一開始，伊利汗國就受到欽察可汗的敵視，1262年，別兒哥為爭奪旭烈兀控制下的阿塞拜疆，發兵來攻，雙方激戰兩年。1267年，塔剌思忽里臺大會，三汗決議的內容，也是針對伊利汗國的。到了諸汗時代，蒙古人對世界的征服最終轉變為成吉思汗的后裔之間的內戰。
阿八哈死后，伊利汗國的汗位經歷了帖古迭兒、阿魯渾、海合都和拜都，到了合贊汗時代。合贊汗使終年以游牧為生的波斯蒙古人開始了定居生活，他御強敵于外，發展生產于內，開創了伊利汗國的強盛時世。有一種說法，盡管伊利汗國的汗位傳到十七任，但合贊汗是伊利汗國最后一任大汗，是所有有才能的君主中最光耀的面孔。伊利汗國從旭烈兀始，到第九任不賽因時已經四分五裂。期間有重要影響的當屬旭烈兀和合贊，旭烈兀對波斯穆斯林進行了征服，合贊則與穆斯林文化相融合。合贊汗與他的家族所信奉的佛教決裂，強迫喇嘛或者放棄佛教，或者離開這個國家。同時他擯棄由母妻一系帶來的對基督教的偏好，改信伊斯蘭教，并尊奉為國教。當初的征服者終于被同化，伊斯蘭教的傳播反而因其武力而迅速擴大。此后，蒙古三大汗國都開始奉伊斯蘭教為國教，與其宗主國元朝愈行愈遠。
1295年，合贊起兵，從他的庶叔拜都手中奪得伊利汗國汗位。起兵前，合贊汗和全體異密宣讀了“除安拉外沒有別的神”的禱告，他們宣誓成為伊斯蘭教徒。合贊汗即位后以蘇丹之稱取代大汗稱號，自命穆罕默德。盡管此后仍然把旭烈兀的兀魯斯叫做伊利汗國，但自合贊以后已經沒有伊利汗了。
但伊利汗國形式上的消亡，還是在其第九任大汗去世以后。不賽因死后，蒙古貴族沒有從旭烈兀家族中挑選出新的大汗，而是選擇了阿里不哥的后裔，而這位意外登上汗位的可汗被他的大臣弒殺。此后，兩派擅權的宗王大臣各自利用自己的傀儡爭奪權力，再也沒有一位領袖能夠把蒙古人和波斯人團結在一起。伊利汗國瓦解了。
