稳固之后，成吉思汗的梦想又一次来到践行阶段。
一场前所未有的对外扩张行动正式拉开序幕。蒙哥转学后励精图治主要干了4件大事：一是命其二弟忽必烈率军攻灭了大理。
二是令其三弟旭烈兀率大军10万远征西亚；三是派出了一小股部队吞并鲜朝半岛，致使高丽崔氏政权垮台，高丽国王投降，大蒙古国成为了高丽的宗主国，但保留高丽原有的政府体系和传统文化。
四是蒙哥亲征南宋。1252年44岁的蒙哥命忽必烈率军南征大理国，大理国王段兴智投降，大理国灭亡。
云贵高原并入大蒙古国版图，而段兴智则被蒙哥任命为大理总管，享受子孙世袭。从这一刻起直到元朝，大理总管段氏战败归降明军，元朝统治云南地区长达128年。
第二年6月，蒙哥已位于朗伊的木刺夷国不肯称臣纳贡为由，开启了第三次西征。蒙哥命旭烈兀率大军10万，带上最好的进攻武器，从漠北草原出发开始西征。
这回西征不仅是一次军事入侵也是一次人口大迁移，很多士兵都携家庭同行。
1256年西征军渡过阿姆河后所向披靡，先是攻灭了撒马尔干及先进的别克斯乌兹坦之后继续向伊朗北方的木拉伊国进军，直至占领了伊朗全境。蒙哥册封旭烈兀为伊尔汗，旭烈兀所建立的国家正式成为伊尔汗国。
随着朗伊全境的陷入，蒙古人把矛头转向了阿巴斯王朝。此时的阿巴斯王朝已是强弩之末，内讧不断，加上阿巴斯王朝的皇室后裔骄奢淫逸帝国已经虚弱不堪。
1257年9月，蒙古人从厄尔布尔士山出发，兵分三路开始向阿巴斯王朝的中心巴格达进军。第二年蒙古人将巴格达团团围住，用抛石机开始攻城。
随着一颗颗巨石砸碎屋顶，一罐燃烧的石脑油点燃房屋，蒙古人的剑士连绵如雨。仅仅用了一个月的时间，巴格达的城墙就被攻破。因为旭烈兀的妻子信奉基督教，所以整个巴格达在被攻陷后只有基督教徒幸免于难。
巴格达大图书馆被烧毁，整个伊斯兰世界在历史上第一次没有了宗教领袖，伊斯兰教的黄金时代就此结束。巴格达沦陷后，蒙哥统治着从富汗阿到波斯湾的整个地域，并将下一个目标锁定为正处于分裂中的利叙亚。此