13世紀中葉蒙古人以伊朗為中心建立的帝國。“伊兒汗”（又作“伊利汗”）意為“藩王”，帝國諸汗稱臣於中國元朝的大汗，故名。
1251年蒙哥在喀喇和林即大汗位，決定由其弟旭烈兀西征波斯和美索不達米亞。旭烈兀於1256年渡阿姆河西進，次第攻下阿拉木特諸堡，殺伊斯馬儀派首腦；1258年，攻陷巴格達，滅阿拔斯王朝，建立伊兒汗帝國。初以馬臘格為國都，嗣後定都於大不裏士。蒙古軍繼續西進，於1259年征服大馬士革諸城，1260年在阿因劄札盧特為埃及馬木留克王朝的軍隊挫敗，才停止擴張。這時伊兒汗的領土包括伊朗、伊拉克、高加索和小亞細亞，北與欽察汗國（金帳汗國）為鄰，東以阿姆河為界與察合臺汗國為鄰，西南與埃及馬木留克王朝的敘利亞領土相接。
伊兒汗朝初期在宗教方面采取寬容政策。蒙古貴族原信佛教和薩滿教，基督教（景教）也在一部分蒙古人之間流行，旭烈兀之妃脫古思可敦就奉行景教，所以旭烈兀及其子阿八哈（1265～1285在位）都保護基督教。這一政策自然促成帝國與西方的接近。伊兒汗與羅馬教廷及法、英各國間頻有使節往還，但與奉行遜尼派的敵國埃及和欽察汗相對抗，並為此保護原在伊朗流行的什葉派。
蒙古人的統治最初對帝國廣大地區的經濟發展不利，他們的遊牧經濟將大量農田變為牧場，而定居人民則要負擔繁重的捐稅。阿八哈次子乞合都(1291～1295在位)濫用無度，國庫耗竭。他妄圖仿效元朝鈔法，在首都大不裡士發行紙幣（亦稱為鈔），藉以擺脫財政危機，結果失敗。
1295年，合贊汗（1295～1304在位）實行一系列改革。他放棄薩滿教，改宗伊斯蘭教，廢“伊兒汗”稱號，改稱“蘇丹”，不再稱藩於元朝。他鼓勵墾殖農耕，發展手工業和商業；制定新的課稅方法，杜絕在定稅以外的勒索，禁止高利貸；普遍實行伊克塔制，士卒亦得到田地，領有者不得轉讓買賣，隻能按照規定征收賦稅。他又制定度量衡和貨幣制度，獎勵學藝。這些措施給帝國帶來瞭一時的繁榮。
合贊死後，其弟完者都（1304～1316在位）嗣位，建新都素丹尼耶，並在城中修建宏麗的清真寺、醫院和學校；但他未能貫徹合贊的改革。完者都死，其子不賽因（1316～1335在位）嗣位時年僅12歲。大貴族間爭權奪利，互相傾軋，陰謀與叛亂不絕。1335年不賽因死後，前將軍出班之孫小哈散、哲拉伊爾部的大哈散以及其他將領各自擁立一個旭烈兀後裔為傀儡汗。於是國土分裂，內戰頻繁，1335～1339年，先後有6個王和1個女主或被敵方殺死，或被廢。同時，呼羅珊和馬贊達蘭地區爆發瞭反蒙古人統治的起義，分別建立瞭沙爾別達爾國傢和賽義德國傢。伊兒汗王朝於1353年滅亡。
伊兒汗時期的伊朗，在天文學、醫學、史學方面都有卓越成就。合贊的宰相拉施特（1247～1318）所編的《世界全史》，是包含中古時期蒙古和伊朗等國歷史的重要史料。藝術上受中國影響極深。從13世紀末起，中國繪畫中常用的表現龍、鳳、朵雲、巒頭、波濤等形象的手法，已為伊朗畫師采用。中國繪畫中白描的技巧，淡雅的設色，使伊朗的細畫呈現嶄新的面目；中國的行書、草書和篆刻對波斯文的書法也有相當明顯的影響。