此后的这段时期，被伊朗人视为本民族历史上最不愉快的时期之一。伊尔汗国的制度基础薄弱，国家机器运转具有高度个人化的特点，依赖于有能力的统治者。一旦汗王无能，就会迅速走向混乱。在经济方面，蒙古入侵给伊朗造成了毁灭性的破坏，大片农业地区的居民被屠杀干净，其土地改为蒙古人的牧场，再加上水利设施被毁坏，造成伊朗的土地大量抛荒、乃至沙漠化。伊尔汗国的经济政策更多地注重于攫取而非生产，对其子民征收名目繁多的重税，同时经常征发农民修建宫殿、从事徭役，对外与金帐汗国、埃及和察合台汗国进行连年不断的战争，令伊朗百姓不堪其苦。

1295年，阿鲁浑之子合赞汗（1295年—1304年）杀死了在位不到一年的基督教汗王拜都，自立为汗。他改名马哈茂德，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。合赞汗实施了一些经济改革，在全国设立驿站，统一度量衡，然而这些改革措施也没能使伊朗恢复到蒙古征服前的水平。1335年，第八任伊尔汗不赛因去世，身后无子，身前又杀光了有能力的文武大臣，因此在他死后，旭烈兀家族中已经无人能使伊尔汗国团结在一起，分裂已经不可避免。伊尔汗国很快分崩离析，那些勉强被推上汗位的成吉思汗后裔只是地方割据势力的工具。1353年12月，最后一任伊尔汗脱合帖木尔被呼罗珊的起义者杀死，伊尔汗国灭亡。此后的伊朗先是被一些蒙古割据政权统治，然后被帖木儿帝国（1370年—1506年）统治。

帖木尔的崛起很具有戏剧性。1336年，他出生于撒马尔罕南部一个突厥化的蒙古部落勃尔劳斯部，其父母据说都与成吉思汗有血缘关系，因此帖木尔以成吉思汗子孙和黄金家族成员自居。当时的撒马尔罕地区属于察合台汗国，其时已经分裂为东汗国和西汗国，在两国的混战中，帖木尔发展成为一个有权势的军事贵族。1370年，帖木尔杀掉了以前的合作者侯赛因，立昔兀尔海迷失为傀儡汗，建立了新的政权，史称帖木儿帝国。

此后30年间，帖木尔高举“伊斯兰胜战”和“成吉思汗大法”的旗帜，东征西战，攻城掠地，给伊朗再一次带来了深重的灾难。其兵锋所至，无不留下一座座人头垒成的金字塔、人肉与灰泥砌成的城墙、以及种上大麦的城市废墟。在消灭伊朗各个割据汗国的时候，帖木尔对许多城市大肆屠杀、破坏和抢劫。在呼罗珊，他下令用泥和砖把2000多名俘虏一个压一个地活砌成城墙。在扎兰季和伊斯法罕，他下令屠杀当地居民，不分男女老幼，从百岁老人到襁褓中的婴儿一律处死，用他们的尸体堆成山、头颅垒成塔。他还下令毁掉了扎兰季的鲁斯塔姆水坝，使这个农业发达的地区变为沙漠。德国文豪歌德的诗歌里曾经提到这个杀人魔王那些令人发指的行为：“岂不见天下的生灵，都曾遭受帖木尔兰（瘸子帖木儿）的蹂躏？”

除了占据伊尔汗国的故土外，帖木尔还征服了察合台汗国、花剌子模和金帐汗国的大片领土，1398年南侵印度，1399年西征小亚细亚，1402年大败奥斯曼帝国，俘虏其苏丹巴塞耶特一世，终于建立起一个仅次于蒙古帝国的大帝国。至于其暴行，则比当年成吉思汗的屠杀还可怕。

1404年11月，帖木尔纠集20万大军，携带7年干粮，准备对明朝发动伊斯兰“胜战”。所幸的是，大军出发三个月后，在进军到齐姆肯特时，这个魔王在军中病死，明朝的几千万生灵免于沦为肉墙颅塔的噩运，华夏文明也免于亡国灭种的劫难。

帖木尔死后，他的帝国也就四分五裂了，其后伊朗西部的阿塞拜疆、阿拉伯伊拉克和波斯伊拉克等领土被黑羊王朝（QaraKoyunlu，1407年—1468年）所夺。黑羊王朝的统治者是随蒙古人西征的土库曼人，信奉什叶派，他们灭亡了蒙古人在伊朗建立的哲拉伊尔王朝，定都于大不里士。信奉逊尼派、崛起于亚美尼亚地区的土库曼人白羊王朝（AkKoyunlu，1467年—1514年）在1467年击败黑羊王朝，次年将其吞并，尽占其伊朗属地。