早期征服
1221到1222年，成吉思汗在攻滅花剌子模的戰爭中，佔領了波斯東部呼羅珊諸城。
1231年，窩闊臺遣大將搠裏蠻統諸部軍三萬西侵，攻滅在波斯西部復國的花剌子模蘇丹(Sultan，阿拉伯語“國王”之意)扎蘭丁，征服和招降了波斯大部分地區。其後，谷兒只(格魯吉亞)、亞美尼亞、魯迷(小亞細亞的塞爾柱王朝)等國也先後歸附蒙古。窩闊臺命搠裏蠻領所部軍隊鎮戍波斯，並設置了管轄阿姆河以西波斯各省的行政機構。
1251年蒙哥即位後，置阿姆河等處行尚書省，以阿兒渾爲行省長官，設治於呼羅珊的圖斯城(今伊朗馬什哈德附近)。蒙古軍在1219年—1221年間侵略並摧毀花剌子模沙王朝後，一直沒有所謂的民政機構，而是由將軍在阿塞拜疆的木乾草原以及大不里士一帶統治。先是綽兒馬罕，後是拜住，野裏知吉帶，到維吾爾人闊裏吉思與衛拉特人阿兒渾阿加，才真正有民政機構。
旭烈兀西侵
1252年，蒙哥遣同母弟分鎮波斯，統兵侵略尚未降服的國家，以搠裏蠻軍和出征怯失迷兒(克什米爾)等處的蒙古軍並隸旭烈兀，又命諸王各從所屬軍隊中籤發十分之二隨從出征。
1256年，旭烈兀軍攻滅盤踞馬拶答爾(今伊朗馬贊德蘭省)諸山城的“木剌夷國”(伊斯蘭教亦思馬因派勢力。其它伊斯蘭教徒稱他們爲mulida，意即“異端者”)。1258年攻陷巴格達，殺末代哈里發(Khalifat，伊斯蘭教主的稱號)，滅黑衣大食(阿拉伯帝國阿拔斯王朝)。
1259年，分兵三路，入侵敘利亞。次年春，旭烈兀得知蒙哥卒於四川，於是留先鋒怯的不花繼續徵進，自率其餘軍隊退回波斯。九月，怯的不花軍在阿音札魯特被密斯兒(埃及)蘇丹忽禿思軍擊潰，蒙古所佔敘利亞諸城盡失。
旭烈兀回波斯後，獲悉忽必烈已經即大汗位，並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，表示擁護忽必烈爲大汗，指責阿里不哥。元世祖忽必烈遣使傳旨，將阿姆河以西直到埃及邊境的波斯國土和該地蒙古、阿拉伯軍民劃歸旭烈兀統治。於是，原由大汗政府直接管轄的波斯地區，實際上成爲旭烈兀的領地，從而建立了又一個王朝。其領土東起阿姆河和印度河，西面包有小亞細亞大部分地區，南抵波斯灣，北至高加索山。旭烈兀以蔑剌哈(今伊朗東阿塞拜疆省馬臘格)爲首都，設宰相以掌管全國政務，任命了各省長官，命長子阿八哈領汗國東部呼羅珊等省地。
1262年，欽察汗國別兒哥汗爲爭奪旭烈兀控制下的阿塞拜疆地區，發兵來攻，雙方激戰兩年多。別兒哥雖然退回，但此後兩蒙古汗國經常爲領土爭端發生衝突。
汗國發展
1265年旭烈兀卒，諸王、大臣奉阿八哈嗣位。阿八哈以未得大汗許可，只權攝國政，同時遣使報喪，於是忽必烈派使者持詔立他爲汗。現存1279年阿八哈頒發的一張敕令上，蓋有漢字“輔國安民之寶”方印，當是忽必烈頒賜給他的王印。阿八哈即位後，始定都於大不里士，以蔑剌哈爲陪都。忽必烈大舉入侵宋朝，徵工匠於阿八哈，回回炮手阿老瓦丁、亦思馬因等入京應命，回回炮技術因而傳入中國。1282年阿八哈卒，弟貼古迭兒(又名阿合馬)繼立。
1284年，阿八哈子阿魯渾聲言其父嘗受大汗冊命，汗位應當屬己，於是在權臣不花支持下起兵推翻其叔，並遣使入元奏報。忽必烈命他繼承汗位，並授不花爲丞相。在此之前，忽必烈遣孛羅丞相等出使伊利汗國。
1284年孛羅到達。孛羅在元朝歷任要職，學識豐富，阿魯渾將他留在汗廷參議政事。阿八哈、阿魯渾父子爲奪取敘利亞之地，採取與歐洲基督教國家結盟的政策，和拜占庭帝國結親，並遣使赴羅馬教廷及英、法等國，建立了友好關係。
1291年阿魯渾卒，弟海合都(又名亦鄰真朵兒只)繼立。海合都揮霍無度，國庫空虛，於是仿效元朝鈔法，在孛羅丞相指導下印造發行交鈔(見鈔)，但行用未久即廢。
1295年，權臣謀殺海合都，奉諸王拜都爲汗，阿魯渾子合贊起兵討滅叛者，奪取汗位。合贊爲取得當地封建主和穆斯林的支持，改信伊斯蘭教，並定爲國教。他的即位和改變宗教信仰，都得到元成宗鐵穆耳的承認。
1298年，合贊遣使入朝，貢珠寶等物。蒙哥時，曾以彰德路爲旭烈兀分地，這時，成宗即將旭烈兀分地歷年應得歲賦賜合贊。現存1302年合贊致法國國王信上，鈐用漢字“王府定國理民之寶”方印，當是元朝新頒給伊利汗的王印。合贊即位後，大力進行社會改革，制定新的土地、賦稅、驛站、貨幣等制度，限制蒙古貴族、將校和官吏對人民的橫徵暴斂，使農業、工商業得到發展，財政收入增加。他還鼓勵發展科學文化，在首都興建天文臺，設立學校，命宰相拉希德丁編纂《史集》。合贊通曉多種語言，對天文、醫學和許多工藝都頗有知識，尤精通曆史，被譽爲賢君。他與埃及的馬木路克王朝爲爭奪敘利亞多次發生戰爭，察合臺汗國的篤哇汗乘機攻佔伊利汗國東部的吐火羅(今阿富汗斯坦東北部)之地。
1304年合贊卒，弟閤兒班答繼立，號完者都汗，遷都於新建的蘇丹尼耶。閤兒班答遵循其兄政策，仍用拉希德丁爲宰相，繼續發展經濟、文化。拉希德丁除完成《史集》鉅著外，還編纂了一部《伊利汗的中國科學寶藏》，介紹中國曆代的醫學成就。這時，元成宗與篤哇、察八兒達成和議，蒙古皇室的內爭暫停，東西驛路暢通，伊利汗國和元朝的使節往來更加頻繁。
1305年，閤兒班答致信法國國王腓力四世宣告此事，信上鈐用漢字“真命皇帝和順萬夷之寶”方印。1316年閤兒班答卒，子阿布·賽義德嗣位，還都大不里士。權臣出班有擁立之功，阿布·賽義德爲他向元朝請封。
1324年泰定帝授出班“開府儀同三司、翊國公”，賜銀印、金符。出班專擅國政，諸子皆居要職，與阿布·賽義德發生矛盾。阿布·賽義德殺其第三子，出班舉兵叛，兵敗被殺。經過這次內亂，國勢削弱，統治集團的內部矛盾和國內民族矛盾、階級矛盾同時迸發。
滅亡
1335年阿布·賽義德死後，伊利汗國迅速瓦解，權臣、統將各自擁立傀儡可汗，國家分裂成東波斯、阿富汗斯坦的卡爾提德王朝，西波斯的穆札法爾王朝和札剌亦兒蒙古人的札剌亦兒王朝，土耳其的楚邦王朝，互相攻殺。
1355年，欽察汗國賈尼別克汗攻入大不里士，殺操縱朝政的出班後人，伊利汗努失兒完不知所終。在紛亂中，一些地方貴族也乘機獨立，形成割據局面。據有巴格達的蒙古貴族哈桑(札剌亦兒氏)於1340年自立爲汗。1358年，其子兀窪思汗兼併阿塞拜疆等省地，移都於大不里士，史稱札剌亦兒王朝。14世紀末被突厥人的帖木兒帝國所滅。
