Moğollar, Anadolu Selçuklularının içine düştüğü bu zor durumdan istifade ederek Anadolu içlerine doğru sefere çıkmak üzere İran’da bulunan Moğol ordularının komutanı Baycu Noyan’ı başa getirdiler. Baycu Noyan, Kafkasya’daki Gürcü ve Ermeni kuvvetlerinin desteğini de kazanarak Anadolu Selçuklularının üzerine sefer hazırlıklarına başladı. Babai İsyanından sonra patlak veren Baba İshak isyanını fırsat görerek 1242 senesinde Erzurum’a ilk saldırısını gerçekleştirdi. Büyük zulümler ve katliamlar yaparak savunmasız Müslüman halkın mallarını alınca Anadolu Selçukluları 80 bin kişilik bir orduyla Sivas’a karargah kurup Baycu Noyan’ın taarruzunu karşılamaya hazırlandı. Baycu Noyan, bunu haber alınca seferini sonuçlandırmak için ordularını Sivas’a doğru yürüttü. Gıyaseddin Keyhüsrev, babası Alaeddin Keykubat kadar tecrübeli ve kudretli bir hükümdar değildi. Yeteri kadar savaş tecrübesi olmaması sebebiyle önemli kararları ordu komutanlarının kararlarıyla verebiliyordu. Moğolların harekete geçtiğini öğrenince komutanlarına danışarak ikmal imkanları sebebiyle Sivas’da yerleşip buradan savunma yapmaları gerektiği görüşünü aldı. Ordu komutanlarının tavsiyelerine değil devlet erkanında görevli siyasilerin tavsiyelerine itibar eden Gıyaseddin Keyhüsrev, ordusunu Sivas’ın 80 km kadar doğusuna ilerleterek Kösedağ mevkiinde sulak ve otlak bir alana yerleşti. Bu alan askeri teknikler açısından oldukça tehlikeli bir coğrafyaydı. Moğol taarruzlarına karşı savunma hatları nizami değildi ve düzen bozabilecek taarruzlara karşı yeteri kadar güvenli bir bölge niteliği taşımıyordu.
Keyhüsrev Han, geçitler ve stratejik noktalardaki hazırlıklarını tamamlayıp savunma yapar halde Moğol ordusunu beklemeye başladı. Ancak ordusunun gücüne güvenen ve zafere kesin gözüyle bakan devlet erkanı, kendisine taarruz etmeyi tavsiye ve telkin edince, yeterli savaş tecrübesi bulunmayan Sultan, tedbir ve askeri nizam kurallarını çiğneyerek düşmanı taarruz ederek karşılamaya karar verdi. Moğol ordularının taarruzuna savunarak değil taarruzla karşılık veren Selçuklu ordusu, Moğol ordusunun kadim Türk Savaş Taktiği olan Turan Taktiğini (Kurt Kapanı) kullanarak geri çekilmesiyle Moğol öncü güçlerinin peşinden gitmeye başladılar. Bu stratejik bir hamleydi ve Kösedağ Savaşı’nın sonucunu etkileyecek ilk hata olmuştu.
Daha önce hiç savaş yönetmemiş olan II. Gıyaseddin Keyhüsrev, öncü kuvvetlerin bozguna uğratılmasını mağlubiyet zannederek otağını ve hazinelerini bile yanına almadan geri çekildi. Oysa ordu yenilmemişti ve halen savaşa devam etmekteydi. Gıyaseddin Keyhüsrev’in kaçışından ordusu henüz haberdar olmamıştı. Selçuklu ordusu hava kararana kadar Moğol ordusu ile çarpışmaya devam etti. Hava kararınca geri dönen Selçuklu ordusu, Sultan’ın kaçtığını ancak günün sonunda öğrenebildi. Bunun üzerine askerlerde otağlarını bırakarak ani şekilde cepheyi terk edip geri döndüler. Gün aydınlandığında Selçuklu askerlerinin ortada olmadığını ve çadırlarını terk ettiğini gören Moğollar, önce bu durumun bir hile olduğunu sanıp iki gün boyunca taarruz etmediler. Nihayetinde sonuç almak isteyen Moğollar, çadırların bulunduğu alana kadar ilerlediğinde Selçuklu ordusunun tamamen geri çekildiğini şaşkınlıkla gördüler. Selçuklular için utanç verici, Moğollar içinse kolay kazanılan bu savaş sonrasında Erzincan, Sivas ve Kayseri’ye kadar ilerlediler (3 Temmuz 1243).
Utanç verici bir mağlubiyete dönüşen Kösedağ Savaşından sonra Anadolu içlerine kadar ilerleyen Moğollar, istila ettikleri şehirleri yağmalayıp halk üzerinde büyük zulümler uyguladılar. Tam anlamıyla bir basiretsizlik sergileyen Gıyaseddin Keyhüsrev’in veziri Mühezzibüddin Ali, Moğol Başkumandanı Baycu Noyan’la görüşerek daha fazla ilerlememesi için tavsiyeler, hediyeler ve siyasi eylemlerde bulunarak Moğolların daha fazla ilerlemesine engel oldu. Kösedağ Savaşı neticesinde nihayetinde sulh yapılmış ancak Anadolu Selçuklu Devleti, Moğollara ağır vergiler ödemeye mahkum olmuştu.
