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。