Sultan, Abbasi halifeliğini tehdit eden Mısır Fatimî Devleti'ne karşı sefere hazırlandığı sırada Bizans İmparatoru Romen Diyojen'in Doğu Anadolu'ya ilerlediğini öğrendi. Şam'a yürümekten vazgeçen sultan, hızla geri döndü ve Malazgirt'te Bizans ordusunu ağır bir yenilgiye uğrattı. Bu savaş sonuçları itibarıyla Dandanakan'dan sonra cereyan eden en önemli meydan savaşıdır. Bu savaştan sonra Türkler için Anadolu'da yeni bir dönem başlar.Sultan Alp Arslan, Malazgirt'ten sonra çıkan karışıklıkları bastırmak amacıyla Maverâünnehir üzerine sefere çıkar. Ancak burada esir alınan bir kale komutanı tarafından hançerlenir ve 25 Kasım 1072'de vefat eder
Alp Arslan, kendinden sonra tahta geçmesi için oğlu Melikşah'ı veliaht olarak hazırlamıştı. Nitekim Alp Arslan'ın ölümü üzerine Melikşah henüz 18 yaşında iken sultanlığa getirildi (1072). Melikşah öncelikle sınırlara tecavüz eden Karahanlı ve Gazneliler'i yenerek, barışa zorladı. Ardından amcası Kavurd'un isyanını bastırdı (1073).
Devlet merkezi Rey'den daha güneydeki İsfahan'a taşındı. Bizans'ın Malazgirt'ten sonra anlaşmaya uymamaları üzerine Anadolu akınları hızlandırıldı. Kutalmış'ın oğulları ve bazı Türkmen reisleri Batı Anadolu'ya kadar akınlar düzenlediler. Bu arada Türkmen liderlerinden Atsız Suriye'yi ele geçirdi. Kudüs şehri Fatımîlerden alındı. Melikşah, kardeşi Tutuş'a Suriye'nin idaresini verdi (1078).
Anadolu fatihlerinden Artuk Bey, Melikşah'ın emriyle Arabistan Yarımadası'ndaki Hicaz, Yemen ve Aden'i Selçuklu topraklarına kattı.
Melikşah 1087'de çıktığı sefer sonucunda Karahanlıların doğu kolunu da hâkimiyeti altına aldı. Sultan Melikşah henüz 38 yaşında iken zehirlenerek öldü (1092).
Melikşah zamanında Büyük Selçuklu Devleti en geniş sınırlarına ulaşmıştır. Bu sınırlar, batıda Anadolu ve Mısır'dan, doğuda Balkaş ve Isık gölüne; kuzeyde Kafkaslardan güneyde Arabistan Yarımadası'na kadar uzanmaktaydı.

Büyük Selçuklu Devleti'nin Dağılışı
Melikşah döneminde Selçuklu Devleti en parlak yıllarını yaşamıştır. Ancak Melikşah'ın ölümünden sonra gelişen bazı olaylar devletin gücünü kırar. Büyük Selçukluların dağılışını hızlandıran gelişmeleri şöyle sıralayabiliriz:
Haçlı Seferleri: Türklerin Anadolu'yu fethi ve Bizans'ı tehdit etmesi, Kudüs'ün Müslümanların eline geçmesi gibi sebepler, Hristiyan dünyasını ortak hareket etmeye yöneltmişti. Melikşah'ın ölümüyle başlayan taht mücadelelerini fırsat bilen Hristiyanlar, haçlı seferlerini başlattılar (1096). Suriye ve Filistin'in büyük bölümü Haçlıların eline geçti.
Bâtınîlik Hareketleri: Mısır'daki Şiî Fatımîler, Selçuklu Devleti'ni zayıflatmak ve kendi propagandalarını yapmak için adamlar yetiştiriyordu. Bu kişiler İslâmiyet'le tamamen ters düşen inanışlar taşıdıklarından Bâtınî adıyla anılmışlardır. Bunlardan biri de Hasan Sabbâh'dır.
Cahil kitleler arasında taraftarını artıran bu kişi Hazar'ın güneyinde yer alan Alamut kalesini ele geçirmiş ve burayı üs olarak kullanmıştır (1090). Haşhaş gibi uyuşturucularla kendine bağladığı fedaîler vasıtasıyla, devletin ileri gelenlerine suikastlar tertip etmişlerdir. Nitekim Melikşah'ın ünlü veziri Nizamülmülk de bu fedaîler tarafından öldürülmüştür.
Melikşah bu kötülük yuvasını yıkmak için Türkmen reisi Kızıl Sarıg'ı Alamut'a yollamış, fakat sultanın ölümü üzerine kuşatma kaldırılmıştır. Batınîlik hareketi XIII. yüzyıl ortalarına kadar faaliyetine devam etmiştir.
İç Mücadeleler: Selçuklu Devleti'nin dağılmasında esas rol oynayan, kendi aralarındaki mücadeleler olmuştur. Taht kavgaları, bağlı beyliklerin bağımsızlığını ilân ederek birbirleriyle mücadele etmeleri ve isyanlar ülkenin düzenini bozmuştur.
Melikşah'ın ölümü üzerine Selçuklu tahtına oğlu Berkyaruk geçmişti (1092). Fakat Suriye Selçuklu Meliki Tutuş yeğeninin hükümdarlığını kabul etmeyerek, taht üzerinde hak iddia etti. Tutuş, Berkyaruk ile yaptığı savaşı kaybetti ve öldü (1095). Bu zafere rağmen Bâtınî ve Haçlı hareketleri karşısında başarılı olamayan Berkyaruk, henüz 25 yaşında iken öldü (1104). Berkyaruk'tan sonra Selçuklu tahtına kardeşi Mehmet Tapar geçti (1104-1118). Haçlılar ve Gürcülere karşı bazı başarılar kazanıldıysa da iç mücadeleler birliğin sağlanmasını engelliyordu.
Mehmet Tapar'ın ölümünden sonra tahta oğlu Mahmut geçmişti. Melikşah'ın diğer oğlu Horasan Meliki Sencer kendini sultan ilân etti ve Mahmut'u himayesine aldı (1119). Böylece Sencer büyük sultan olurken, Mahmut Irak Selçuklu Sultanı olarak kalıyordu. Selçuklu başkentini Merv'e taşıyan Sultan Sencer, Büyük Selçuklu Devleti'nin son büyük hükümdarıdır. Onun zamanında devlet tekrar eski gücünü toparlamaya başlamıştır. Bu sebeple Sultan Sencer zamanı için ikinci imparatorluk devri adı verilir.
Sultan Sencer henüz Horasan meliki iken Gaznelileri ve Karahanlıları, 1121'de ise Afganistan'daki Gurlu Devleti'ni kendine bağlamıştır. Ayrıca Selçuklu ülkesinin tamamında hâkimiyet kurarak birliği sağlamıştı. Fakat 1141 yılında doğudan gelen Kara-Hıtaylar 'a karşı yaptığı Katavan Savaşı'nda yenilince itibarını kaybetti. Maverâünnehir Kara-Hıtayların eline geçti. Ülkede tekrar otorite boşluğu doğdu. Nitekim İran asıllı memurların fazla vergi istemesi üzerine, devletin asıl unsuru olan Oğuzlar (Türkmenler) isyan ettiler, daha fazla toprak istediler. Sultan Sencer soydaşı olduğu Oğuzlara esir düştü (1153). Oğuzlar Horasan bölgesini ellerine geçirdiler. Sultan Sencer serbest bırakıldı. Fakat bir müddet sonra öldü. Sencer'in ölümüyle Büyük Selçuklu Devleti fiilen son bulmuştur (1157).Büyük Selçuklu Devleti, Karahanlılar ve Gazneliler ile başlayan Türk-İslâm devlet geleneğini sağlam temellere oturtan ilk büyük cihan devletidir. Daha sonra kurulan Türk devletlerine her açıdan örnek olmuşlardır.
Büyük Selçuklulara Bağlı Devletler
Dandanakan Savaşı'ndan sonra yapılan kurultayda ülkenin çeşitli bölgelerine hanedan üyelerinin idareci olarak gönderildiğini belirtmiştik. Gönderildikleri bölgelerde, devlete bağlı kalmak şartıyla kendi idaresini kuran bu kişiler, Melikşah'ın ölümünden sonra (1092) bağımsızlıklarını ilân etmeye başlamışlardır. Bu dönemde ülke dörde bölünmüştür: Irak ve Horasan, Kirman, Suriye ve Anadolu.

Irak ve Horasan Selçukluları (1092-1194)
Irak ve Horasan Selçuklu Devleti'nin merkezi durumundaydı. Sultan Mehmet Tapar'dan sonra Selçuklu tahtına geçen oğlu Mahmut tahta geçtiği sırada amcası Sencer Horasan meliki idi. Sencer Mahmut'u tahttan indirdi ve himayesine aldı. Mahmud, merkezi Hemedan olan Irak Selçuklu Devleti sultanlığına getirilirken, Sencer büyük sultan sıfatıyla Horasan'daki Merv'de tahta oturdu. (1119) Irak Selçukluları, Azerbaycan'dan Fars bölgesine, Horasan Selçukluları ise Maverâünnehir'den Afganistan'a kadar uzanan bölgeleri içinde barındırmaktaydı. Irak Selçuklularının son sultanı III. Tuğrul devrinde yönetim aslında atabeylerin eline geçmişti. Sultan Tuğrul'un Harezmşah Tekiş'e yenilmesiyle Irak Selçuklularının toprakları Harzemşahlara geçti (1194).