Toen het leger van deMongolen zijn streek veroverde (rond1220), vluchtte hij en sloot zich aan bij deIsmaëlieten, eensjiitische stroming binnen deislam. Na de verovering van hetAlamutkasteel, waar al-Toesi verbleef, door de Mongolen onder leiding vanHulagu trad hij alsvizier in dienst bij hem. Hij hielp Hulagu bij de verovering van hetAbbasidenkalifaat en de verovering vanBagdad in1258.
Als dank hiervoor mocht Toesi inMaragha in noordwest Iran in1259 eenobservatorium oprichten. Maragha was de toenmalige hoofdstad van hetIlkanaat. Toesi bleef hier tot zijn dood in1274. Hij werd uiteindelijk bij deschrijn van de 7eimamMoesa al-Kaazim nabij Bagdad begraven.
Toesi schreef in totaal 64 werken, voornamelijk in hetPerzisch.
Hij was waarschijnlijk de eerste diegoniometrie (ook weltrigonometrie of driehoeksmeetkunde) als een apart vakgebied beschouwde. Hij beschreef als eerste desinusregel van dedriehoeksmeting.Hij ontwierp verschillende meetinstrumenten voor astronomische waarnemingen.
In zijn boekTadhkira fi' ilm al-hay'a (Memorandum over de astronomie) stelde hij een herziening vanPtolemaeus' astronomische systeem voor. In zijn boekZij-i ilkhani (Il-kanaatische tabellen) beschreef Toesi een gedetailleerde beweging van deplaneten. In plaats van deepicycli introduceert hij detoesikoppels als model voor planetaire bewegingen. Ontegenzeggelijk moetCopernicus al-Toesi's werk gekend hebben, aangezien het systeem van Copernicus grotendeels overeenkomt met Toesi's werk. Maar Toesi's planetaire systeem plaatste de aarde nog wel in het middelpunt van hetzonnestelsel. Ook na Toesi's dood bleef het observatorium in Maragha een belangrijk centrum voor wetenschappen.
Toesi schreef belangrijke filosofische werken.Nasirs Ethiek is hiervan wellicht het bekendste. Hij schreef dit boek in eerste instantie voor de isma'ilitische vorstNasir al-Diren maar hij herzag de tekst voor de Mongoolse heersers. Daarnaast schreef hij werken overlogica en staatsinrichting.
