随着阿拉伯倭马亚王朝（661年—750年，中国史书称其为“白衣大食”）的统治者顽固抱有落后的部落意识和狭隘的民族优越感，对非阿拉伯和非穆斯林采取了令人发指的歧视政策，导致了阿拉伯人内部的派别斗争和与波斯人等非阿拉伯民族的对立，终于在750年被阿巴斯人（默罕默德叔父阿巴斯的后代）、什叶派和呼罗珊人等几股势力联合推翻，建立了阿巴斯哈里发国家（750年—1517年，中国史书称其为“黑衣大食”）的统治。

阿巴斯王朝把都城从叙利亚的大马士革迁到了伊拉克的巴格达，意味着阿拉伯帝国的政治、宗教和文化中心从地中海东岸的叙利亚转到了曾被波斯人长期统治的两河流域。波斯的阿拉伯化和阿拉伯的波斯化成为阿巴斯王朝最显著的两大特点。

不过，波斯人虽然被阿拉伯化，但是他们从民族感情出发并没有屈从于正统的逊尼派信仰，而是逐渐皈依什叶派。这一派从血缘关系出发，只承认穆罕默德的女婿阿里是先知的合法继承人，在他之前的三任哈里发都被认为是非法统治者。在阿拉伯人作战时被杀的什叶派第三任教长，是阿里的儿子和波斯末代皇帝的女婿。

从651年萨珊帝国灭亡，到1258年蒙古入侵，这600多年里，阿拉伯人对波斯真正实施有效统治的时间，不过200年而已。阿拉伯帝国的疆域远远超过萨珊帝国，因此对波斯东北部诸如呼罗珊和河中地区之类的边远省份不免有鞭长莫及之憾，因此在阿巴斯王朝哈里发堕入“波斯化”的富贵温柔乡、失去开疆拓土的进取心之后，伊朗当地的波斯贵族纷纷建立起割据的地方王朝，例如呼罗珊地区的塔希尔王朝（822—873年），伊朗东南部的萨法尔王朝（867—903年），河中地区的萨曼王朝（874—999年），以及里海南岸的布维希王朝（945—1055年）等等，其中布维希王朝甚至曾经一度统一伊朗和伊拉克地区。

这些地方王朝仅仅承认巴格达哈里发为名义上的最高统治者，后来一些小王国甚至连名义上的哈里发也不愿意承认，在礼拜仪式上和钱币上都取消了阿拉伯哈里发的名字，代之以自己的名字。萨法尔王朝首开拒向阿拉伯帝国缴纳贡赋的先例，此后波斯的各个地方王朝都拒交贡赋，巴格达哈里发从波斯得到的收入越来越少。

从9世纪起，阿拉伯人每年从中亚输入上千名突厥雇佣兵，以充实其军队，并担任宫廷警卫。突厥人都是出色的战士，充当雇佣军本来是突厥人受到压迫和奴役而不得不从事的职业，但他们却好像乐此而不疲，最后总是要设法变成雇主的主人。这些突厥将领和士兵逐渐取得权势，参与宫廷阴谋、左右朝政，把哈里发变成他们手中的傀儡，后来竟成了阿拉伯人的主人。

阿拉伯人在中亚的势力衰微后，留在那里的突厥人在10世纪末就建立了加兹尼王朝（962年—1186年）和哈拉汉王朝。这两个王朝一南一北，消灭了波斯人的萨曼王朝（892年—999年），而几十年后，加兹尼王朝又被另一支突厥人打败。他们就是后来大名鼎鼎的塞尔柱突厥人，原来是臣服突厥的“乌古斯九姓”之一，突厥帝国被唐朝灭亡后辗转西去，当时充当着萨曼王朝和加兹尼王朝的边防军。

1037年，塞尔柱的两个孙子图格里勒伯克和达乌德从加兹尼王朝手中夺取了目录和内沙布尔，成为呼罗珊的统治者。1055年，图格里勒伯克又攻入巴格达，消灭了什叶派的布维希王朝。为了感谢塞尔柱人帮助其摆脱布维希王朝控制，哈里发卡伊姆封图格里勒伯克为苏丹，从此建立了塞尔柱帝国的统治。塞尔柱帝国的疆域囊括了河中地区、伊朗和伊拉克，日渐衰微的阿巴斯哈里发帝国则沦为塞尔柱人的政治工具。

在此后长达140年的时间里，伊朗在塞尔柱突厥人的统治下发生了深刻的变化。塞尔柱人远征叙利亚和埃及，其强大兴盛与古代的波斯帝国相比毫不逊色。他们从法蒂玛王朝手中夺取了麦加、麦地那和也门，从拜占庭帝国手中夺取了亚美尼亚和小亚细亚。这一时期，伊朗的科学技术兴盛发达，经济繁荣，政治稳定，国家统一，波斯人的天文、数学、医药、文学和神学都得到了高度发展。

在此后长达140年的时间里，伊朗在塞尔柱突厥人的统治下发生了深刻的变化。塞尔柱人远征叙利亚和埃及，其强大兴盛与古代的波斯帝国相比毫不逊色。他们从法蒂玛王朝手中夺取了麦加、麦地那和也门，从拜占庭帝国手中夺取了亚美尼亚和小亚细亚。这一时期，伊朗的科学技术兴盛发达，经济繁荣，政治稳定，国家统一，波斯人的天文、数学、医药、文学和神学都得到了高度发展。

1092年，马利克沙苏丹去世，大赛尔柱帝国开始走向衰落和崩溃，在叙利亚、小亚细亚等地先后出现了一系列塞尔柱小王朝，巴格达的塞尔柱苏丹只保有名义上的宗主权。1156年，吐火罗地区的乌古斯人爆发抗税起义，塞尔柱苏丹桑贾尔前去征讨，兵败被俘，此后伊朗地区一度被花剌子模统治。

蒙古人第一次西征的目的是惩罚花剌子模，因此虽然袭扰了伊朗东部和北部的许多地方，但得手之后即回师攻打金国，没有在伊朗建立什么统治机构。蒙古人撤走之后，花剌子模末王穆罕默德之子扎兰丁集结残部，卷土重来，大有复国之势，又引起了蒙古人的主意。1227年成吉思汗去世，两年后他的儿子们在克鲁伦河召开大呼拉尔会议，推举窝阔台（Ogadai）为大汗，随后对波斯发动第二次西征，杀死了扎兰丁。

1251年，拖雷（Tolui）之子蒙哥在拔都支持下成为蒙古大汗，在稳定了统治之后又发起了对西亚的第三次西征。1256年，蒙古军捣毁了阿萨辛派的大本营。蒙哥之弟旭烈兀在1258年攻破巴格达，屠杀民众80万有奇，阿巴斯王朝末代哈里发被装入袋子中乱马踩死，阿拉伯帝国灭亡。蒙古大军攻占了伊朗和伊拉克全境，然后随后在叙利亚为埃及的马木鲁克兵所败，大将怯的不花兵败被杀，蒙古西征就此终止了。

1260年，忽必烈继承蒙古大汗之位，他在1262年册封旭烈兀（Hulegu，1262年—1265年在位）为伊尔汗（意即“各民族的统治者”），统治包括伊朗和伊拉克在内的西亚地区，都城设在大不里士。伊尔汗国的统治者最初信奉萨满教和基督教（聂斯托利派，即景教），视伊斯兰教为“敌对宗教”。但是第三任汗王、旭烈兀的儿子帖古迭儿（1282年—1284年在位）改宗伊斯兰教，并改名阿合马（即“艾哈迈德”），结果遭到守旧派的抵制，在内战中败于其侄子、呼罗珊统治者阿鲁浑（1284年—1291年在位），被按照蒙古传统方式压断脊椎处死。阿鲁浑阻止了蒙古人的伊斯兰倾向，重用基督教徒和犹太教徒。直至1295年其子合赞汗即位，伊朗的蒙古统治者才正式定什叶派为国教，接受伊斯兰信仰，并同化于伊朗文化。