С появлением монголов на границах державы Аббасидов последний багдадский халиф аль-Мустасим получил от Хулагу ультиматум. Хан требовал от того покорности. Халиф безрассудно отверг условия монголов. Сам Багдад разделился на два лагеря. Среди влиятельных сановников было немало тех, кто понимал гибельность противостояния с кочевниками.
Окружив в январе 1258 года город, Хулагу приказал пустить в Багдад стрелы с ярлыками, в которых он обещал пощадить тех, кто не будет сопротивляться монголам. Послания пустили через стены с шести сторон. При штурме атакующие использовали осадные орудия, в том числе камнеметы. Катапульты сооружали китайские инженеры.
5 февраля 1258 года монголы захватили часть стены, а уже 10 числа Багдад сдался. Навстречу победителям вышел сам халиф. С ним были имамы, сановники и вельможи. В первую очередь Хулагу повелел пересчитать жителей города. Горожане, сложив оружие, выходили из своих укрытий — их тут же поголовно убивали.
Во дворце халифа хан устроил праздничный пир. Была вскрыта сокровищница аль-Мустасима. В хранилище нашли драгоценные камни, украшения, жемчуг, золотые динары. Под страхом смерти халиф сознался в существовании еще одного тайника. Посередине дворца под искусственным водоемом были обнаружены слитки червонного золота. Монголы также устроили перепись гарема (700 жен и наложниц, а также 1000 человек прислуги). Завоеватели предали огню соборную мечеть халифов и багдадскую библиотеку. Книги выбрасывались прямо в Тигр. В городе стало нечем дышать, а Хулагу даже переместил свою ставку в соседнее селение.
Грабеж и резня в Багдаде продолжались пять дней. Бесчинства были остановлены только потому, что неисчислимые богатства халифа удовлетворили даже самых жадных монголов. Ликовали не только кочевники, но и христиане, которые считали поражение мусульман справедливой расплатой за столетия их собственных унижений. Монголы также не тронули евреев.
Жена Хулагу Докуз-хатун была несторианской христианкой, и под ее влиянием хан передал несторианскому патриарху захваченный дворец аль-Мустами. Считается, что монголы побоялись проливать кровь халифа и поэтому бросили его под копыта лошадей или уморили жаждой. Также были убиты все дети аль-Мустасима кроме единственного сына, который уехал в Монголию, но не имел там никакого политического влияния. После завоевания Багдада Хулагу поддержали армянский царь Гетум I и князь Антиохии Боэмунд VI. В Европе хана и его супругу несторианку сравнивали с Константином Великим и Еленой Равноапостольной.