Согласно правилам классической монгольской дипломатии, прежде чем начать боевые действия против халифа, Хулагу послал к нему послов со списком законных претензий к нему. Хулагу обвинил халифа в том, что он не прислал войска для борьбы с гашишинами, хотя клялся в верности Чингисхану. С монгольской точки зрения халиф Багдада был точно таким же взбунтовавшимся вассалом, как и Имам исмаилитов. Если халиф немедленно не повиниться в своих преступлениях и не покориться власти монголов, Хулагу грозил завоевать его город и захватить его самого. Халиф также как и Имам недооценил опасность, которую представляли монголы, и презрительно отверг их «абсурдные требования».

Он гордо провозгласил, что весь исламский мир от Багдада до Магриба в Северной Африке как один человек поднимется на защиту своего халифа, и что он не позволит неверным захватить Багдад. Ни Бог, ни правоверные мусульмане не позволят Багдаду попасть в руки гяуров.

В ноябре 1257 года Хулагу, который сомневался в правах халифа говорить от имени Бога или всех мусульман, начал наступление на Багдад. Он приближался осторожнее, чем это сделал бы его дед, но с тем же набором проверенных временем монгольских приемов и стратагем. В дополнение к своим собственным войскам Хулагу призвал на помощь армии вассальных царств Армении и Грузии, а также нескольких тюркских племен. Таким образом, пока основная армия приближалась к городу по широкой дуге с севера и востока, союзники подходили с севера и запада. Хотя Тигр и Евфрат во все времена служили естественной защитой Месопотамии от завоевателей, монголы легко переходили через реки по понтонным мостам. Когда армии завоевателей приблизились, местное население обратилось в бегство и стало искать защиты за высокими стенами города. В последнюю неделю января 1258 года завоеватели окружили город и заняли пригороды вне стен, доведя число беженцев внутри города до максимума.

Прежде чем начать штурм, Хулагу постарался как можно полнее использовать политическую, религиозную и этническую рознь в стане защитников. Он установил тайные сношения с христианами Багдада. Его мать, две жены и многие его воины исповедовали христианство, сам Хулагу всегда поддерживал дружеские отношения с христианскими общинами на Ближнем Востоке, а также с христианскими царствами Армении и Грузии. Это помогло Хулагу договориться с христианами в городе посредством множества тайных гонцов и переговорщиков. Он обещал всем религиозным меньшинствам города особо мягкое отношение со стороны монголов. В знак особого расположения он даже разрешил христианским священникам не кланяться перед монгольским двором, поскольку им пристало кланяться только Богу. Он умело играл на страхах христианского меньшинства, окруженного враждебным мусульманским обществом. Он подкармливал мечты христиан и иудеев избавиться от мусульманского владычества.

Халиф тоже постарался использовать связи между монголами и христианами себе на пользу. Он призвал Католикоса Макиху, патриарха христиан, и отправил его на переговоры с монголами.

Он предлагал формально признать власть монголов, заплатить огромную дань и читать в мечетях пятничные молитвы за здоровье Великого Хана в знак покорности. Хулагу презрительно отверг это предложение. Он знал, что уже слишком близок к победе, чтобы принимать такие подачки — только не теперь, когда богатства самого пышного города на земле лежат почти у его ног.

Монголы снова проявили свою уникальную способность превращать все, что находилось под рукой, в высокоэффективное оружие. Самыми большими объектами в окрестностях города были высокие финиковые пальмы, которые арабы веками выращивали и лелеяли. Монголы срубили их и превратили в смертоносные снаряды для своих баллист. Дерева в округе было мало, и они не смогли окружить город стеной так, как сделали это на Руси. Тем не менее, Хулагу окружил город рвом и валом, а затем начал массовый артобстрел города. Арабы были знакомы с использованием в бою горючих жидкостей, но они впервые столкнулись с силой пороха.

Монголы изменили формулу пороха таким образом, чтобы он мгновенно взрывался при соприкосновении с огнем, а не медленно горел, как это было в традиционных китайских огненных копьях и ракетах. Монголы научились использовать силу такого взрыва для того, чтобы метать снаряды в противника. Мастера изготовили трубки достаточно маленькие для того, чтобы с ними мог управиться один человек. Из этих трубок во врага летели наконечники стрел и другие кусочки металла. Взрыв в таких трубках был сильным, а значит, требовался более прочный материал, чем бамбук, для их изготовления. Монголы стали делать эти трубки из железа, а для удобства пользования они приделывали к ним деревянные ручки, большие трубы они устанавливали на колеса для более удобной транспортировки. Такие большие трубы стреляли керамическими или металлическими емкостями, наполненными шрапнелью или порохом. Во время обстрела монголы использовали все виды снарядов и порохового оружия, включая дымовые бомбы, прото-гранаты, примитивные мортиры и зажигательные ракеты. Они изобрели взрывные устройства такой силы, что, вероятно, использовали даже пушки; одну такую трубу они направили на городскую стену и выстрелами развалили ее.

Обстрел с такого расстояния вызвал в жителях Багдада и его защитниках страх и смятение. Их никогда не атаковал враг, находящийся за пределами досягаемости для их собственного оружия. Кроме огнестрельного оружия, монгольские инженеры довели до совершенства практику использования пороховых зарядов для подрыва стен. Все эти военные нововведения прекрасно сочетались с пристрастием монголов оставаться как можно дальше от непосредственного боя и смертей. Хулагу разрушил дамбу и затопил лагерь армии халифа, вынудив ее искать спасения в городе. Стена воды вокруг Багдада, наверное, оказала на защитников такое же воздействие, как деревянная стена на воинов русских городов. Пятого февраля 1258 года монгольские войска ворвались в город, и пять дней спустя халиф вынужден был капитулировать. Чтобы подготовить город к разграблению, Хулагу приказал всему населению сложить оружие, оставить свое имущество и покинуть город. Вместо того, чтобы исполнить приказ, армия защитников вырвалась и попыталась бежать, но монголы организовали погоню и перебили всех солдат.

Хулагу послал свои христианские отряды на разграбление города, но они обнаружили, что многие люди не выполнили приказ хана и прятались в своих домах. За неподчинение приказу они были убиты на месте. Монголы освободили от разграбления церкви и собственность христиан, а Хулегу подарил один из дворцов халифа Католикосу Макихе. Христиане Багдада присоединились к своим единоверцам в разграблении города и избиении мусульман. Века ненависти и гнева пролились полной чашей, когда они оскверняли и разрушали мечети, а многие из них превращали в церкви.