Kaykhusraw II (1237–1246) begynte sitt styre ved å erobre regionen rundt Diyarbekir, men i 1239 stod han ovenfor et opprør ledet av en populær forkynner som het Baba Ishak. Etter at han endelig hadde slått ned opprøret tre år senere, gikk fotfestet i Krim tapt, og staten og sultanatets hær var svekket. Det er i disse forholdene han stod ovenfor en mye farligere trussel, de ekspanderende mongolene. Mongolske styrker tok Erzurum i 1242, og året etter ble sultanen knust av Baiju i slaget ved Köse Dag (et fjell mellom byene Sivas og Erzincan). Seldsjukkene måtte underlegge seg mongolene etter dette og ble gradvis deres vasaller. Sultanen selv hadde flyktet til Antalya etter slaget i 1243, og der døde han i 1246. Hans død innledet en periode med tredelt styre, og så todelt styre som varte til 1260.