伊利汗國是忽必烈的三弟旭烈兀建立的。1252年，蒙哥汗派遣旭烈兀率領蒙古大軍進行了第三次西征，在成吉思汗和窩闊台汗時期就用武力占領波斯大部分領土，旭烈兀又在此基礎上統率“鐵騎旋風”,一路所向披靡，攻陷報達(今伊拉克巴格達),滅掉黑衣大食(阿拉伯帝國阿拔斯王朝),之後，旭烈兀又分兵攻入敘利亞等地。
蒙哥死後，忽必烈與阿裏不哥開始了漢位之爭，忽必烈為取得旭烈兀等人的支持，派人告知旭烈兀道：“各地區有叛亂，從質渾河(阿母河)岸到密昔兒(埃及)的大門，蒙古軍隊和大食人地區，應該由你掌管，你要盡心防守，以博取我們祖先的美名。”
正式答應將阿母河以西直至埃及邊境的波斯地區的蒙古、大食等軍民劃歸旭烈兀統治，於是旭烈兀正式建立了伊利汗國。
“伊利”是突厥語“從屬”之意。旭烈兀以“伊利”為汗國名稱，表示他願意隸屬於大汗忽必烈。確實，在所有的宗藩之國中，伊利汗國同元朝的關係最為密切，在忽必烈與阿裏不哥、北方諸王鬥爭中，伊利汗都始終站在忽必烈一邊。
自終旭烈兀以後，伊利汗國的汗王即位，都必須接受元朝冊命才能生效。
《史集》記載，旭烈兀以後，諸王和臣們都一致擁護旭烈兀的長子阿八哈繼承汗位，阿八哈說：“忽必烈罕是長房，怎能不經他的詔賜就登臨汗位呢?”後來在諸王和大臣們的強烈擁戴下，阿八哈表示同意繼承汗位，但要權攝國政，同時遣使向忽必烈報喪，請求忽必烈冊命他為汗。
“在忽必烈合罕陛下的急使送來以他合罕名義頒發的璽書前，他端坐在椅子上治理國家”,始終不肯坐大汗之寶位。
直到至元七年(1270),忽必烈派來使者，“帶來了賜給阿八哈汗的詔旨、王冠、禮物，讓他繼承自己的光榮的父親成為伊朗地區的汗，沿著父祖的道路前進”,阿八哈才“第二次登上汗位”,正式舉行即位大典，“照例舉行了歡慶儀式”。不久，伊利汗接受元朝大汗冊命，正式形成為製度。
忽必烈在冊命伊利汗即位同時，又頒授給伊利汗印璽作為權力的象征，忽必烈相繼賜給伊利汗的印璽有“輔國安民之寶”和“王府定國理民之寶”等。
現存1279年阿八哈汗頒發的一張敕令上，蓋有漢字“輔國安民之寶”方印，即是忽必烈頒賜予阿八哈的汗印。
當時規定，在伊利汗頒發的詔敕、國書中，都必須把元朝大汗列在他的前麵。
如至元二十六年(1289),伊利汗國阿魯渾汗給法國國王菲力四世的國書中，開頭便寫“長生天氣力裏，大汗福蔭裏，阿魯渾諭法朗國國王”。
伊利汗的鑄幣上，亦把元朝大汗之名列在旭烈兀之前，其上阿拉伯文曰“最大可汗、伊兒汗大旭烈兀”。
所有這一切，充分說明元朝與伊利汗國的關係是一種宗藩關係。元朝同伊利汗國關係始終十分密切，官吏任用也往往互相交換。
比如，阿八哈汗曾經派遣伯顏入元廷奏事，忽必烈見伯顏體貌雄偉，奏事清楚機敏，極其欣賞，就留在自己的身邊，後來任為滅宋統帥及丞相、樞密院長官等，成為忽必烈一朝十分顯赫的人物之一。
忽必烈也曾派遣撒兒塔與奧都剌合蠻等出使伊利汗國，鉤考他在伊利汗國的屬民與分戶應繳的財物。
至元二十年(1283),忽必烈又派遣丞相孛羅和拂林人愛薛出使伊利汗國，愛薛充當翻譯。兩人到達伊利汗國，見到阿魯渾汗，深受阿魯渾汗器重，阿魯渾汗遂請準忽必烈，把孛羅留下作為自己的丞相。
從此以後，孛羅丞相定居伊利汗國，相繼輔佐阿魯渾、亦鄰真朵兒隻(海合都)、拜都、合讚、合兒班答(完者都)等人治國，為伊利汗國的發展作出了重要貢獻。
忽必烈同伊利汗國交往非常頻繁，促進了雙方政治、經濟和文化的交往與發展。元朝的政治、經濟和文化製度對伊利汗國影響很大，其汗廷的組織與製度，差不多完全和蒙古汗廷相同，選汗的忽裏台製度、汗的即位儀式等都沿襲蒙古製度，與元朝一模一樣。
伊利汗國定都桃裏寺(今伊朗阿塞拜疆大不裏十),以蔑剌哈為陪都，亦仿效忽必烈實行冬夏兩都巡幸製度。
此外，陵墓的禁地設置、後妃的守宮繼位、宗王出鎮與分封製度、四怯薛製度、達魯花赤製度、驛傳牌符製度、崇信佛教及對各種思想兼容並蓄政策、軍戶的份地采邑製度、斡脫製度以及風俗方麵的妻後母、兄死妻嫂、飲金屑酒宣誓、薩滿占卜等，都幾乎與忽必烈時期的元朝如出一轍。
伊利汗國還將忽必烈所行鈔法搬移過來，亦采用雕版印刷紙鈔，發行全國。伊利汗國發行的紙鈔完仿照元朝至元鈔，長方形，上麵也有漢文“鈔”字，四周紋飾照樣刻印，不過多了阿拉伯文的頒發年份而已。
鈔麵價值從半個迪爾漢到十個第納爾不等。這是在遼宋金元以外的世界上第一次發行紙鈔，具有重要意義。
忽必烈還在將元朝政治、經濟和文化傳播到伊利汗國的同時，大量吸收了伊利汗國的科技和文化。在忽必烈出兵滅宋時，就曾遣使向阿八哈汗征用炮匠，阿八哈汗即遣回回炮手阿老瓦丁、亦思馬因等赴元朝應命，將回回炮技術傳入元朝。
伊利汗國的天文學有一定的成就，忽必烈讓來自敘利亞西部操阿拉伯語的拂林人愛薛掌管西域星曆和醫藥二司，開始將回回天文曆算介紹到元朝。
隨後，西域天文學家劄馬魯丁根據回回天文學撰成《萬年曆》進獻忽必烈。
後來，郭守敬創製《授時曆》之時，其中大量吸收伊利汗國的天文學知識。
忽必烈在恒星觀測方麵開始編製星表，主要是學習撒馬爾罕和馬拉格天文台的經驗而後才實行的。
郭守敬改革與設計的十三架天文儀器，在其數量上與馬拉格天文台相仿，功用也大體相同，其中簡儀特別有名，實際上是在學習馬拉格天文台的黃赤道轉換儀而後製成的，青出於藍而勝於藍，故稱簡儀。
伊利汗國的醫藥學也頗為有名，當時，大量傳入元朝，為元朝醫藥學的發展輸入了新鮮血液。
在忽必烈時期，有大量的伊利汗國境內的波斯、阿拉伯等各族人進入元做官、經商、行醫和從事各種手工業等，還有不少漢族官員、文人、工匠和商人等留居伊利汗國，雙方往來如同一家，經濟文化交流發展到前所未有的程度，對促進雙方政治、經濟和文化的發展做出了重要貢獻。
伊利汗國歐亞南路交通要衝，通過伊利汗國境內的傳統的“絲綢之路”以及從波斯灣到泉州、廣州的海路都十分活躍。
忽必烈曾經派遣紮木嗬押失寒、崔杓持金十萬兩，通過伊利汗阿八哈市藥於獅子國(今斯裏蘭卡)。又曾經頒給列班·掃馬和馬忽思二人鋪馬聖旨，允許他們赴耶路撒冷朝聖。列班·掃馬通過伊利汗國出使羅馬教廷和英法等國，加強了中國和西方各國的往來。
忽必烈通過伊利汗國，確實為中西的發展及其政治、經濟和文化交流做出了不可磨滅的重大貢獻。