對於蒙哥去世的消息，可以想象，從敘利亞班師，風塵僕僕向故鄉前進的旭烈兀心中，悲傷、興奮、焦急，種種情緒五味雜陳。 蒙哥汗對他來說，既是同父同母的大哥，又是有著提拔重用之恩的君主，在其去世時卻未能見上一面，怎能不悲傷；自己此次西征，功勳卓著，以武功立國的蒙古，聲望已不會比任何兄弟差，在庫裡臺大會上，自己應該是重量級的大汗候選人，這讓他如何不興奮；然而，蒙哥汗死後，帝國的中樞會發生什麼，他一無所知，又如何不焦急？！ 此時的旭烈兀，歸心似箭。
然而，當他進入伊朗的時候，一個消息給他當頭一棒，比蒙哥汗去世更讓他難以接受——他的另一位哥哥忽必烈和他最小的弟弟阿里不哥已經分別稱汗，並且已經兩軍對壘，打得不可開交。 而作為帝國西北屏藩的金帳、察合臺、窩闊臺三大汗國，已經明確表示支持阿里不哥了。 統一的蒙古帝國現在已經不復存在，自己作為前方將領和前任可汗的弟弟，該如何決擇？旭烈兀相當矛盾。 從感情上來說，無論是阿里不哥還是忽必烈，都是自己的親兄弟；從法統上來說，兩個兄弟都不那麼名正言順，阿里不哥沒有召集所有宗王貴族召開大會，而忽必烈更是在漢地召開大會，支持他的宗王貴族更少。 何去何從？ 不能排除旭烈兀就沒有率兵繼續東歸，以自己的實力參與到紛爭當中的打算，畢竟自己兵力雄厚，有這個實力。
但是，在他返回伊朗的同時，埃及馬木留克王朝蘇丹忽都思率領12萬大軍攻入敘利亞。留守敘利亞的怯的不花率軍迎戰，結果在艾因賈魯一戰中，2萬蒙古騎兵全軍覆沒，怯的不花戰死。埃及軍乘勝進擊，佔領了敘利亞全境。各地區的蒙古官員被殺，留在敘利亞的一般蒙古居民退到魯木。 怯的不花是旭烈兀麾下第一驍將，西征以來一直都是先鋒，而那兩萬蒙古騎兵也是精銳中的精銳。這一戰不僅證明了在孤軍奮戰的狀態下，沒有一支部隊是可以所向無敵的，而且也徹底打消了旭烈兀東歸的念頭。 現在後方不穩，回鄉又前景叵測，不如留下來。旭烈兀審時度勢，做出了明智的抉擇——駐兵伊朗，靜觀其變。
在西征的時候，蒙哥汗給了旭烈兀相當豐厚的軍事資本，而在1256年他正式開始戰鬥的時候，已經以“伊兒汗”發號施令，伊朗、阿塞拜疆、小亞細亞的總督和將軍們都服從於他，“其勢足以自帝一方”。 忽必烈和阿里不哥都遣使向這位兄弟尋求支持，但旭烈兀都不為所動——競爭大汗之位已經不可能，那麼，只能從兩位大汗中選一個來遵奉。至於尊奉誰，就看你們誰更厲害了。你們去鬥吧，有結果通知一聲就好了。 他開始在自己的勢力範圍內營造自己的獨立王國，雖然他沒有得到汗廷的冊封，雖然在各地還有著應當直屬於大汗的行政長官。但現在天下大亂，一切，都聽命於我“伊兒汗”吧。
這裡需要解釋一下，從成吉思汗開始，蒙古帝國雖然實行分封，各子都有自己的汗國。但各汗國的封地仍由大汗委以長官統管，諸子在其封地上只享有一定數量的賦入。其行政權、軍事權很大程度還屬於中央直轄。若不是這樣，帝國的分裂恐怕早就難以遏制。窩闊臺、蒙哥時代的伊朗等地，最高軍事長官是綽兒馬罕，他死後拜住接任，最高行政官是成帖木兒，都是直接受大汗汗廷委任。旭烈兀西征，各地的將軍、總督出兵出餉，全是大汗命令。
現在，先大汗沒了，新任大汗還沒決定。當初的一切行政關係全都亂了套。金帳、察合臺、窩闊臺各汗國的汗王們一躍而成為自己封地的真正“國家首腦”。原本是大汗的各級官吏，都成了他們的臣屬。 可以說，要不是在南宋釣魚城下，蒙哥汗不能確定原因的突然暴死，伊兒汗國是否會建立，還是未知之數。 但無論怎樣，“伊兒汗”旭烈兀成為了這塊東起阿姆河，西至地中海，包有小亞細亞大部分地區，北自高加索，南抵印度洋的土地上的主人。 因為他從1256年便開始自稱“伊兒汗”，很多史家把伊兒汗國的建立定在這一年，但這有些牽強。直到1260年，旭烈兀還沒有真正算是建立了一個國家，最多隻是一個雛形。 這麼個尷尬的政權自然不會被人承認，金帳汗國別爾哥汗首先發難，向旭烈兀討要阿塞拜疆。理由相當充分：蒙古帝國所有的國土都是屬於整個黃金家族的，人人有份，除非大汗親自冊封才算是你的。何況，你西征的時候，我金帳汗國出兵相助，總不能白忙。 旭烈兀此時等於是沒了家長的野孩子，別說一個堂兄，在兩個兄弟決出勝負之前，大汗的話都不聽。何況，阿塞拜疆經綽兒馬罕、拜住等人經營多年，土地肥沃，城鎮繁榮，還有水草豐美的木甘草原，怎能拱手讓人。 於是，當忽必烈、阿里不哥一對親兄弟在帝國東部打得你死我活的時候，別爾哥汗和旭烈兀兩個堂兄弟也在帝國西部大打出手。
1262年，別爾哥汗首先派遣那海率軍3萬在打耳班與旭烈兀交戰，大敗而歸。而不久，那海折回突襲旭烈兀駐軍，迫使旭烈兀倉促橫渡幼發拉底河，自己的士兵被殺和落水溺斃的不計其數，差點把本錢全部賠光。 旭烈兀臨危不亂，迅速收攏部隊，扼要地，守要衝，堅壁清野，不給別爾哥汗以繼續擴大戰果的機會。 別爾哥汗雖然獲得了正面戰場的勝利，卻無法攻克旭烈兀的一個個城池，折騰半天，阿塞拜疆還是沒有到手。兩個兄弟乃至他們的子孫從此結下深仇，在以後的一個世紀中，戰爭頻起，馬木留克王朝、拜占庭帝國也被他們拉到各自陣營壯聲勢。
1264年，忽必烈和阿里不哥的汗位之爭終於落下帷幕，阿里不哥戰敗，淪為階下囚。忽必烈成為了蒙古帝國第五任大汗。 可是，這個大汗有點注水豬肉的味道，成吉思汗冊封的三大汗國全都不予承認，這麼一來，忽必烈能不能保住面子，就看旭烈兀的了。 剛把阿里不哥囚禁起來，忽必烈便派出敕使，正式冊封旭烈兀為“伊兒汗”，指出“從質渾河岸（即中亞阿姆河）到密昔兒（即埃及）的大門，蒙古軍隊和大食人地區，應由你，旭烈兀掌管” 。 畢竟是一個母親的兒子，血濃於水，旭烈兀立即承認了忽必烈的大汗地位，並莊重的接受了他的冊封。在蒙古帝國崩潰的時刻，他至少在名義上留在了帝國版圖之內。 在忽必烈眼中，旭烈兀實在是一個懂事可愛的弟弟。
1264年，45歲的旭烈兀終於名正言順的建國立號，成為伊兒汗國第一任“伊兒汗”，定都於蔑剌哈城（今馬臘格）。 一直三缺一的蒙古四大汗國，終於都出現在13世紀的世界版圖上
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