然而，当他进入伊朗的时候，一个消息给他当头一棒，比蒙哥汗去世更让他难以接受——他的另一位哥哥忽必烈和他最小的弟弟阿里不哥已经分别称汗，并且已经两军对垒，打得不可开交。
可是，这个大汗有点注水猪肉的味道，成吉思汗册封的三大汗国全都不予承认，这么一来，忽必烈能不能保住面子，就看旭烈兀的了。
统一的蒙古帝国现在已经不复存在，自己作为前方将领和前任可汗的弟弟，该如何决择？旭烈兀相当矛盾。
旭烈兀临危不乱，迅速收拢部队，扼要地，守要冲，坚壁清野，不给别尔哥汗以继续扩大战果的机会。
1264年，45岁的旭烈兀终于名正言顺的建国立号，成为伊儿汗国第一任“伊儿汗”，定都于蔑剌哈城（今马腊格）。
不能排除旭烈兀就没有率兵继续东归，以自己的实力参与到纷争当中的打算，毕竟自己兵力雄厚，有这个实力。
何去何从？
旭烈兀此时等于是没了家长的野孩子，别说一个堂兄，在两个兄弟决出胜负之前，大汗的话都不听。何况，阿塞拜疆经绰儿马罕、拜住等人经营多年，土地肥沃，城镇繁荣，还有水草丰美的木甘草原九*九*藏*书*网，怎能拱手让人。
可以说，要不是在南宋钓鱼城下，蒙哥汗不能确定原因的突然暴死，伊儿汗国是否会建立，还是未知之数。
现在后方不稳，回乡又前景叵测，不如留下来。旭烈兀审时度势，做出了明智的抉择——驻兵伊朗，静观其变。
此时的旭烈兀，归心似箭。
刚把阿里不哥囚禁起来，忽必烈便派出敕使，正式册封旭烈兀为“伊儿汗”，指出“从质浑河岸（即中亚阿姆河）到密昔儿（即埃及）的大门，蒙古军队和大食人地区，应由你，旭烈兀掌管”。
怯的不花是旭烈兀麾下第一骁将，西征以来一直都是先锋，而那两万蒙古骑兵也是精锐中的精锐。这一战不仅证明了在孤军奋战的状态下，没有一支部队是可以所向无敌的，而且也彻底打消了旭烈兀东归的念头。
在西征的时候，蒙哥汗给了旭烈兀相当丰厚的军事资本，而在1256年他正式开始战斗的时候，已经以“伊儿汗”发号施令，伊朗、阿塞拜疆、小亚细亚的总督和将军们都服从于他，“其势足以自帝一方”。
但无论怎样，“伊儿汗”旭烈兀成为了这块东起阿姆河，西至地中海，包有小亚细亚大部分地区，北自高加索，南抵印度洋的土地上的主人。
于是，当忽必烈、阿里不哥一对亲兄弟在帝国东部打得你死我活的时候，别尔哥汗和旭烈兀两个堂兄弟也在帝国西部大打出手。
在忽必烈眼中，旭烈兀实在是一个懂事可爱的弟弟。
但是，在他返回伊朗的同时，埃及马木留克王朝苏丹忽都思率领12万大军攻入叙利亚。留守叙利亚的怯的不花率军迎战，结果在艾因贾鲁一战中，2万蒙古骑兵全军覆没，怯的不花战死。埃及军乘胜进击，占领了叙利亚全境。各地区的蒙古官员被杀，留在叙利亚的一般蒙古居民退到鲁木。
忽必烈和阿里不哥都遣使向这位兄弟寻求支持，但旭烈兀都不为所动——竞争大汗之位已经不可能，那么，只能从两位大汗中选一个来遵奉。至于尊奉谁，就看你们谁更厉害了。你们去斗吧，有结果通知一声就好了。
这里需要解释一下，从成吉思汗开始，蒙古帝国虽然实行分封，各子都有自己的汗国。但各汗国的封地仍由大汗委以长官统管，诸子在其封地上只享有一定数量的赋入。其行政权、军事权很大程度还属于中央直辖。若不是这样，帝国的分裂恐怕早就难以遏制。窝阔台、蒙哥时代的伊朗等地，最高军事长官是绰儿马罕，他死后拜住接任，最高行政官是成帖木儿，都是直接受大汗汗廷委任。旭烈兀西征，各地的将军、总督出兵出饷，全是大汗命令。
1262年，别尔哥汗首先派遣那海率军3万在打耳班与旭烈兀交战，大败而归。而不久，那海折回突袭旭烈兀驻军，迫使旭烈兀仓促横渡幼发拉底河，自己的士兵被杀和落水溺毙的不计其数，差点把本钱全部赔光。
蒙哥汗对他来说，既是同父同母的大哥，又是有着提拔重用之恩的君主，在其去世时却未能见上一面，怎能不悲伤；自己此次西征，功勋卓著，以武功立国的蒙古九-九-藏-书-网，声望已不会比任何兄弟差，在忽里台大会上，自己应该是重量级的大汗候选人，这让他如何不兴奋；然而，蒙哥汗死后，帝国的中枢会发生什么，他一无所知，又如何不焦急？！
毕竟是一个母亲的儿子，血浓于水，旭烈兀立即承认了忽必烈的大汗地位，并庄重地接受了他的册封。在蒙古帝国崩溃的时刻，他至少在名义上留在了帝国版图之内。
别尔哥汗虽然获得了正面战场的胜利，却无法攻克旭烈兀的一个个城池，折腾半天，阿塞拜疆还是没有到手。两个兄弟乃至他们的子孙从此结下深仇，在以后的一个世纪中，战争频起，马木留克王朝、拜占庭帝国也被他们拉到各自阵营壮声势。
因为他从1256年便开始自称“伊儿汗”，很多史家把伊儿汗国的建立定在这一年，但这有些牵强。直到1260年，旭烈兀还没有真正算是建立了一个国家，最多只是一个雏形。
可以想象，从叙利亚班师，风尘仆仆向故乡前进的旭烈兀心中，悲伤、兴奋、焦急，种种情绪五味杂陈。
而作为帝国西北屏藩的金帐、察合台、窝阔台三大汗国，已经明确表示支持阿里不哥了。
1264年，忽必烈和阿里不哥藏书网的汗位之争终于落下帷幕，阿里不哥战败，沦为阶下囚。忽必烈成为了蒙古帝国第五任大汗。
一直三缺一的蒙古四大汗国，终于都出现在13世纪的世界版图上。
现在，先大汗没了，新任大汗还没决定。当初的一切行政关系全都乱了套。金帐、察合台、窝阔台各汗国的汗王们一跃而成为自己封地的真正“国家首脑”。原本是大汗的各级官吏，都成了他们的臣属。
这么个尴尬的政权自然不会被人承认，金帐汗国别尔哥汗首先发难，向旭烈兀讨要阿塞拜疆。理由相当充分：蒙古帝国所有的国土都是属于整个黄金家族的，人人有份，除非大汗亲自册封才算是你的。何况，你西征的时候，我金帐汗国出兵相助，总不能白忙。
他开始在自己的势力范围内营造自己的独立王国，虽然他没有得到汗廷的册封，虽然在各地还有着应当直属于大汗的行政长官。但现在天下大乱，一切，都听命于我“伊儿汗”吧。
从感情上来说，无论是阿里不哥还是忽必烈，都是自己的亲兄弟；从法统上来说，两个兄弟都不那么名正言顺，阿里不哥没有召集所有宗王贵族召开大会，而忽必烈更是在汉地召开大会，支持他的宗王贵族更少。