Tidak lama memerintah, Hulagu akhirnya wafat pada 1265. Jabatan ilkhan diwariskan kepada putra sulungnya bernama Abaqa Khan. Ilkhan kedua tersebut berhasil mengalahkan Kekhanan Chagatai dalam berbagai pertempuran, termasuk di Kota Bukhara yang merupakan pusatnya. Hal ini membuat Kekaisaran Ilkhanat berkuasa luas dari Turki timur hingga Pakistan.
Meski Kekaisaran Ilkhanat menduduki bekas Kekaisaran Abbasiyah dan memiliki penduduk mayoritas beragama Islam, keberpihakan dalam Perang Salib lebih kepada Kekristenan Eropa.
Tidak ada agama resmi di kekaisaran ini, karena dalam tradisinya, bangsa Mongol cenderung sekuler dan toleran terhadap perbedaan agama. Abaqa Khan sendiri memeluk agama Buddha sampai akhir hayatnya.
Abaqa wafat pada 1282 dan digantikan oleh Arghun Khan. Di saat yang bersamaan, Dinasti Mamluk semakin mengancam. Arghun mengirim surat tawaran aliansi melalui biarawan Nestorianisme Rabban Bar Sauma yang sebelumnya telah datang jauh-jauh dari Zhongdu (Beijing).
Sejarah dunia kuno mengungkap bahwa aliansi Mongol dan negara-negara Kekristenan Eropa tidak matang dalam Perang Salib. Penyebabnya mungkin karena ketidakjelasan Eropa yang sedang punya masalah antarkerajaan dan Paus yang meminta ilkhan pindah agama. Namun, berkat surat-menyurat ini, pasukan salib Eropa bisa singgah di Ilkhan sebelum menuju Tanah Suci.
Menjadi kerajaan muslim
Kekaisaran Ilkhanat, dalam sejarah dunia kuno, baru menjadi kerajaan muslim di bawah Ghazan Khan. Ilkhan itu memerintah sejak 1295 dan merupakan putra sulung Arghun. Dia mengelola perekonomian kekaisaran yang sebelumnya sempat melemah.
Ghazan masuk Islam pada tahun yang sama ketika mulai menjabat sebagai ilkhan, namun masih menganggap Mamluk sebagai musuh. Pada 1299, ia berhasil merebut Aleppo dan Damaskus pada November 1299, walau hanya sebentar. Kemudian dilanjutkan ke Suriah pada 1303 dan berbuah pada kekalahan.
Bukan pertama kalinya Kekaisaran Ilkhanat memiliki pemimpin muslim. Sebelumnya, Abaqa mewariskan takhta kepada putranya bernama Ahmad Teguder, tetapi hanya sebentar. Ahmad harus berhadapan dengan Arghun yang juga mengeklaim takhta.
Berbagai konflik yang dihadapi oleh Kekaisaran Ilkhanat mereda pada 1304, bersamaan dengan seluruh sisa-sisa Kekaisaran Mongol lainnya (Pax Mongolica).
Pada saat itu, kekaisaran dipimpin oleh Oljaitu, putra Arghun Khan yang berpindah ke agama Islam. Dia membangun ibukota baru bernama Sultaniyah di Iran, berbagai masjid megah, dan mengembalikan warisan-warisan sejarah dunia kuno bangsa Mongol.
Rivalitas dengan Dinasti Mamluk pun mereda pada 1322, setelah Abu Said putra Ghazan Khan menjadi ilkhan baru. Namun pada saat ini, stabilitas kerajaan diuji dengan pemberontakan dan serangan dari Gerombolan Emas.
Abu Said meninggal pada 1335. Sumber sejarah dunia kuno menyebutkan kematiannya disebabkan oleh serangan Ozbeg Khan dari Gerombolan Emas. Ibnu Battuta menyebutkan dalam catatannya, Abu Said tewas diracuni oleh istrinya, Baghdad Khatun karena cemburu. Teori lain menyebutkan kematiannya karena Wabah Hitam.
Abu Said tidak punya keturunan, sehingga menyebabkan krisis politik Kekaisaran Ilkhan dalam sejarah dunia kuno. Ilkhan selanjutnya diwariskan ke Arpa Keun yang merupakan keturunan Ariq Boke. Namun, pemberontakan terus bermunculan di berbagai tempat, membuat Kekaisaran Ilkhan terpecah menjadi berbagai kerajaan kecil.