1301年(大德五年)，海都犯元境，在与元军战斗中受伤，回师途中死去，子察八儿继立。窝阔台后裔为争夺汗位发生矛盾和分裂，汗国力量削弱。1304年，笃哇起而与察八儿争战，大掠其国西部诸城。元朝海山的军队也同时逾阿尔泰山，大破察八儿军，察八儿投奔笃哇。窝阔台汗国所属诸部，一部分归附元朝，大部分降于笃哇。1309年(至大二年)，察八儿因参与察合台汗国的一次内争失败，逃归元朝，元封他为汝宁王。他的领地大半为新即位的察合台汗也先不花所有，窝阔台汗国亡。
伊利汗国
元朝西北宗藩国，十三世纪中叶至十四世纪中叶统治波斯的蒙古汗国。成吉思汗第四子拖雷之子旭烈兀所建。1252年，蒙哥命旭烈兀西征波斯等地。忽必烈即位后，命旭烈兀统领阿母河以西直至密昔儿(埃及)之境，建立汗国。其领土东起阿母河和印度河，西面包括小亚细亚大部分地区，南抵波斯湾，北至高加索山。旭烈兀以蔑剌哈(今伊朗阿塞拜疆马腊格)为都城，设宰相掌管全国政务，任命了各省长官。1265年，旭烈兀子阿八哈继立，元朝赐他“辅国安民之宝”方印。阿八哈即位后，始定都于桃里寺(今伊朗阿塞拜疆大不里土)，以蔑剌哈为陪都。1284年，忽必烈遣孛罗丞相等出使伊利汗国，阿鲁浑汗将他留在汗庭参议政事。第七代伊利汗合赞统治时期，改奉伊斯兰教为国教，国势颇盛。
1298年，合赞遣使入元朝，贡珠宝等物。蒙哥时，曾以彰德路为旭烈兀分地，这时，成宗就将旭烈兀分地历年应得岁赋赐合赞，并赐王“府定国理民之宝”方印。合赞大力进行社会改革，制定新的土地、赋税、驿站、货币等制度，限制蒙古贵族、将校和官吏对人民横征暴敛，使农业、工商业得到发展，财政收入增加。他还鼓励发展科学文化，在首都兴建天文台，设立学校，命宰相拉施特编纂《史集》。第九代伊利汗不赛因死后，统治集团内讧迭起，权臣、大将各自拥立可汗，纷争不已。1355年，钦察汗国札尼别汗攻占桃里寺，伊利汗国亡。