Вслед за тем Кей-Кавус и Кылыч-Арслан отправились к Тебризу, в ставку Хулагу, предводителя монгольского поход на Ближнем Востоке, (согласно Рашид ад-Дину, это произошло в августе 1258 года, по Абу-ль-Фиде, — в 657 г. х. = 28 декабря 1258 —18 декабря 1259 гг. н. э.). Хулагу был крайне недоволен выступлением Кей-Кавуса против Байджу-нойона, но, по просьбе Докуз-хатун, простил его. Оба брата приняли участие в кампании Хулагу в северной Сирии и вернулись в Рум, когда Хулагу отступил на восток. Затем, заподозрив Кей-Кавуса в тайных сношениях с мамлюками, Хулагу приказал Кылыч-Арслану двинуться с войсками против брата. При поддержке монгольских сил Кылыч-Арслан вытеснил Кей-Кавуса из его столицы Коньи, и тот был вынужден бежать сначала в Анталью, а затем — в Константинополь, ко двору Михаила Палеолога.