蒙哥汗元年夏，蒙哥即位的大聚会在曲雕阿兰召开，他在东、西道诸王拥戴下，成为蒙古帝国第四任大汗。
蒙哥即位后举行了盛大的宴会，这时窝阔台的孙子失烈门、脑忽等人以朝会为名率军前来偷袭，他们想通过刺杀蒙哥把汗位抢回来。蒙哥的鹰夫克薛杰路遇失烈门等人的车队，发现了他们的阴谋并向蒙哥报告。
蒙哥随即派忙哥撒儿逮捕参与阴谋的诸王、大臣，并展开审讯。在结束审讯后，蒙哥开始安排远征任务，委付其弟忽必烈以东方诸地，幼弟旭烈兀汗往主西方大食地。
为了配合他们的远征，蒙哥以牙剌瓦赤、不只儿、斡鲁不、睹答儿等充燕京等处行尚书省事，赛典赤、匿昝马丁佐之；以讷怀、塔剌海、麻速忽等充别失八里等处行尚书省事，暗都剌兀尊、阿合马、也的沙佐之；以阿儿浑充阿母河等处行尚书省事，法合鲁丁、匿只马丁佐之。
蒙哥让牙老瓦赤给忽必烈伐宋做后援，而让阿儿浑给旭烈兀西征做后援。成吉思汗西征归来后，牙老瓦赤父子受命管理西域。窝阔台时期，又任命牙老瓦赤为中州大断事官，到燕京主管汉民公事。
蒙哥即位后，经过审讯，确定牙老瓦赤没有参与谋杀阴谋，依旧任命他主管汉民公事，并对他宠信有加。
这时，忽必烈藩府谋士姚枢这时向忽必烈进言：
且今天下土地之广，人民之殷，财赋之阜，有加汉地者乎？军民吾尽有之，天子何为？异时廷臣间之，必悔见夺。不若惟持兵权，供亿之须，取之有司，则势顺理安。
忽必烈接受了姚枢的建议，只领汉地兵权，财政事务则由牙老瓦赤、不只儿等人负责。
忽必烈在参加完蒙哥即位的庆典后，带领军队从拖雷的封地出发，前往漠南汉地，集结镇戍汉地的蒙古、汉军。
当年，成吉思汗西征，将经略中原的任务交给了大将木华黎。成吉思汗将弘吉剌、亦乞烈思、兀鲁兀、忙兀等十支蒙古军队和吾也而统辖的契丹、蕃、汉等军队划归木华黎，组建了木华黎军团。
木华黎死后，他的军团由其子孛鲁统领。孛鲁死后，军团由其子塔思统领。塔思死后，军团由其弟速浑察统领。
速浑察死后，其子忽林池袭爵为国王，对于军团中的事务，不论大小，他均与其弟乃燕商议。忽必烈在藩府时，经常与乃燕商议国是。乃燕敷陈大义，又明悉典故。
忽必烈对左右说：“乃燕，后必可大用。”因号之曰薛禅，意思就是“大贤”。蒙哥将灭亡南宋的任务交给了忽必烈，而乃燕实际上是木华黎军团的统帅，忽必烈与乃燕商讨的内容包括如何灭亡南宋在内。
姚枢针对蒙古与南宋之间的对峙形势，向忽必烈上了《平宋策》，其中这样说：
太祖承天大命，兵取天下，功未及竟而遂陟遐。太宗平金，遣二太子总大军南伐，降唐、邓、均、德安四地，拔枣阳、光化，留军戍边，襄、樊、寿、泗继亦来归，而寿、泗之民尽于军官分有，由是降附路绝。虽岁加兵淮、蜀，军将惟利剽杀，子女玉帛悉归其家，城无居民，野皆榛莽。何若以是秋去春来之兵，分屯要地，寇至则战，寇去则耕，积谷高廪。边备既实，俟时大举，则宋可平。
姚枢建议在蒙古与南宋交界的险要地方分兵驻守，并实行屯田以储备粮食，伺机发起进攻。
忽必烈采纳了他的建议，但是蒙哥宠信的牙老瓦赤惟事货赂、滥杀无辜，根本不知爱惜民力、与民休息，致使汉地民不聊生，为了限制牙老瓦赤的权力，忽必烈向蒙哥推荐史天泽担任河南经略使。
史天泽，字润甫，燕京永清人。少善骑射，勇力过人。在蒙古灭金的战争中，许多汉人地主招集部曲，据险自守。他们有的投靠了大蒙古国，被称为世侯，史天泽就是当时汉地几个大世侯之一。
成吉思汗攻掠金朝时，史天泽随其兄史天倪投降蒙古。史天倪死后，孛鲁国王任命史天泽袭职为都元帅，身经百战。
窝阔台即位后，史天泽入觐，被任命为真定、河间、大名、东平、济南五路万户，为汉地三万户之一。随后他参与了蒙古军队灭亡金朝的战役。
金朝灭亡后，史天泽又随宗王经略两淮。蒙哥即位后，史天泽按照惯例前往漠北觐见，蒙哥赏赐卫州五城作为他的封地。蒙哥汗二年春，忽必烈到达漠南，推举史天泽为河南经略使，正是看中史天泽忠心耿耿、历仕四朝，有足够的资历与牙老瓦赤相抗衡。
史天泽和藩府谋士赵璧到达河南后，选贤才居幕府，以清其源，置提领布郡县，以察其奸，均赋税以苏疲困，更钞法以通有无，设行仓以给军饷，人始免攘夺矣。立边城以遏寇冲，民皆得以保全矣。诛奸恶以肃官吏，立屯田保甲以实边鄙。
在忽必烈和他的藩府谋士共同努力下，河南自金朝灭亡以后民不聊生的状况得到初步改善。军事方面，忽必烈在西起穰邓的地方驻扎重兵，与襄阳形成犄角之势，向东连接陈州、亳州、清口、桃源，形成防御屏障，并伺机进攻南宋。
为了解决这条防线的后勤补给问题，忽必烈在卫州设立转运司，将粮食通过黄河运输到淮河前线。
蒙哥汗三年，忽必烈觐见蒙哥，蒙哥让他在南京和关中两地选择一处作为封地，忽必烈听从了姚枢的建议，选择了关中作为封地。
这年夏天，忽必烈带领军队来到六盘山，派姚枢等人治理关中，并接见了吐蕃萨迦派高僧八思巴。驻守益昌的汪德臣也在此时入见忽必烈，乞免益昌赋税及徭役漕粮，屯田为长久计。
汪德臣为汪世显之子。汪世显金末为巩昌府便宜总帅，金亡后投降蒙古，被委以原职。汪世显死后，其爵位由其子汪德臣承袭。忽必烈听取了汪德臣的意见，把他调往利州戍守，又把刘黑马调往成都戍守。
刘黑马为刘伯林之子，他与史天泽一样，是窝阔台任命的汉地三万户之一，长期驻守西京。为了解决汪德臣和刘黑马部的后勤补给，忽必烈将山西解盐划归陕西，设置从宜所，向兴元运输粮食；又在秦州设置行部，负责向利州运输粮食。由此可见，忽必烈正在逐步完善他的进攻体系，以期尽快实现灭宋任务。
忽必烈进兵伐宋，而南宋采取坚壁清野的措施，以阻止蒙古军队的推进。金朝和南宋在淮河、四川边界对峙长达一百多年，双方势均力敌。
长期对峙的状态导致边界地区社会严重军事化，南宋在边界地区建立了完善的防御体系。蒙古灭金以后，与南宋直接接壤，其军队战斗力也远胜金军，但未能打破这一平衡局面。
忽必烈的军队僵持在淮、蜀前线，根本原因是因为汉地不治，不能提供足够的军粮。在缺乏军粮的情况下，忽必烈乃遣使赴蒙哥汗处，以实情奏闻，请许其先征云南大理，再夹击南宋。
大理国是西南一带建立的多民族政权，全国尊崇佛教，历代国君多于暮年禅位为僧。五代时期，后晋通海节度使段思平联合洱海地区贵族高方、董伽罗灭大义宁国，定都羊苴咩城，国号“大理”，史称“前理”。
宋哲宗绍圣元年，一直以来都在专权的高升泰自立为帝，篡夺段氏政权。高升泰病逝后，由于云南诸部的反对，高升泰临终嘱咐其子高泰明还政段氏，于是高泰明拥立段正淳为大理皇帝。由于段氏政权中断过，故从段正淳起的大理国史称“后理国”。
“后理”先后经过段正淳、段誉、段正兴、段智兴、段智廉、段智祥几世统治，到段祥兴时代，蒙古开始南侵。由于连续进攻均达不到目的，于是蒙古决定采取史无前例的迂回战略，先从四川附近的吐蕃地区以达大理，再从大理对南宋腹地发动进攻，一直僻地自守的大理国从此身不由己地卷入了宋蒙战争之中，并与蒙古军队发生了激战。
段氏意识到，要抗击蒙古军队，必须与南宋联合起来，便遣使四川，想与南宋共议御敌之策，却遭到拒绝。其结果是大理国在大渡河一带没有形成有效的防区，而只好把防线收缩到金沙江一带。
在蒙哥即位的同年，段祥兴驾崩，段智兴即位。蒙哥即位后，即同意了忽必烈出兵云南获取军粮的请求。
蒙古宪宗二年九月，蒙哥汗命忽必烈和大将兀良合台统军，发动了对大理国的大规模征伐。当年十二月，大军趁冬季封冻之机，越过黄河，进入河湟之地。第二年春天，大军经过盐夏，四月出萧关，六月进驻六盘山，八月抵达甘肃南部的临洮。
大军到达临洮后，忽必烈做了两件事：一是遣使赴凉州召吐蕃萨迦派首领八思巴，为大军过藏区作准备；二是派遣玉律术、王君侯、王鉴三人先行，招降大理。
前者应召而至，后者却因道路阻塞无功而返，这说明蒙古军用兵还是以谋略为上。在八思巴的协助下，蒙古大军顺利进入川西地区，九月，抵达忒剌，即今天四川西部松藩一带。
大理国在金沙江以北设有建昌、会川二府，这里是南诏时期东蛮所居之地，这里的部族虽在大理国建昌、会川二府管理之下，但同时常常依附于宋王朝的黎州，一如南诏时期的东蛮，既归南诏，又倾向唐王朝的剑南西川节度。
蒙古军队进至大渡河边后，忽必烈将大军分为三路，兀良合台率西路，抄合、也只烈率东路，忽必烈亲率中路，分别进攻大理国。
兀良合台所率西路军，由晏当路南下，经川西藏区，进至今云南迪庆州香格里拉县一带，在巨甸渡过金沙江。
西路军在今丽江石鼓一带，被“空和寨”所阻。空和寨是大理国在金沙江边设置的军事要隘，沿江依山而筑，牢不可破。兀良合台亲自率军出战，经过七天的激战，才攻破寨门。
抄合、也只烈所率的东路军，沿川西平原南下，进入大理国建昌、会川二府辖地。此路大军的战略意图，是占领建昌、会川二府，过金沙江，进逼姚州，转而西进，与中路军、西路军会师，合围大理国都城羊苴咩城。
姚州即今云南姚安，这是由四川进入云南的传统通道之一。南诏大理国时期，姚州为仅次于“首邑之地”洱海周边地区的重要辖区。但东路军进入大理国建昌、会川二府后，遭遇顽强抵抗，后来虽兵临姚州城下，也不能攻克城池，只好停下，等待忽必烈中路大军的支援。
忽必烈率领的中路军，先到达满陀城，由于行军不便，蒙古军丢下粮草辎重，轻装渡过大渡河，在高山峡谷无人区之中，急行二千余里，到达金沙江畔。
忽必烈中路军的行军路线，是由大渡河而南，沿河谷南下，到达今丽江宁蒗县永宁镇金沙江北侧。么些族的首领和字出降，为蒙古军引路。
蒙古军队虽来自大漠，不习水性，但出师之前，他们对大理国的山川地势有详细的了解，知道这里有大渡河、金沙江、洱海等河流湖泊，为渡河做好了准备。
忽必烈率领蒙古军队来到金沙江边，面对汹涌的江水，蒙古军士不用船只，使用北方人渡河惯用的“革囊”渡过了金沙江天险。
“革”者，“皮”也，“革囊”，顾名思义就是皮子做的气囊。中国北方，特别是黄河两岸，普通百姓过河，都是乘革囊而过。革囊一般用羊皮做成，制作的方法，大概是将羊宰杀之后，用细管向羊皮中吹气，使皮肉之间产生气流，再用力捶打羊皮，羊皮就会与羊肉分离。这时，割下羊头与四肢，然后将羊皮从头部向下撕拉，羊皮就会完整地剥下来，然后只要将头部、四肢及尾部的孔洞扎紧，就天衣无缝了。
船工向皮囊中吹气，羊皮就膨胀为鼓鼓囊囊的革囊。这种革囊，人们可以藉之只身渡河，也可以用它承载木筏，同时让许多人漂浮过河。大致说来，大凡水流湍急、不易舟楫的河流，都采用这种“革囊渡江”的方式，即历史上有名的“元跨革囊”。
渡过金沙江之后，忽必烈率领的中路军，由永宁南行，从今天的宁蒗县境内直驱丽江，到达大匮，进而攻击三赕，么些族首领麦良出降。
蒙古军由三赕至谋统，高氏出降，邻近的善巨高氏也投降了蒙古军队。至此，忽必烈所率的中路军沿途招降纳叛，把大渡河以南直到云南西北部的大理国辖地，都收归到自己的帐下。
大理国西北的军事防御体系，大渡河、金沙江两道天险，以及无数的“蛮夷”部族所形成的缓冲区域，霎时间被“天兵”所破。段氏、高氏万万没有想到，蒙古军犹如天降，一下子就出现在苍山洱海之间。
紧接着，忽必烈率领的中路军，首先攻下邓川。这时，兀良合台所率的西路军，也抵达龙首关外，两路大军合兵一处，乘势攻破龙首关，大理国“首邑之地”的北大门洞开。
这时，东路军抄合接到忽必烈派人送来的快信，要他改变原先的进军计划，尽快在三赕与中路军和西路军会师。抄合得到忽必烈命令后，即刻起兵南下进入大理国境内，在占领了大理军队已经撤离的会川城后，就挥师西向，尾随忽必烈的中路军向三赕进发。
蒙古军在三赕休整了几天，等待随后赶来的抄合率领的东路蒙军，并对来迎降的当地么些部落首领阿宗、阿良等分别授以“管民官”“宣慰司”等官职，让他们作为土司帮助蒙古治理么些地区，并召集么些人参加蒙古军队。
当蒙古军集齐后，忽必烈与诸路统帅商定了夺取大理国都的军事部署。随后大军开拔，开始对大理国展开决定性一击。大理国内各族的贵族分子纷纷降蒙。
当时的大理国，军事力量并不薄弱，但为了削弱段氏势力、控制国政，高氏有意一方面把大理国军队的精锐置于自己的控制之下，一方面则着力发展自己的地方武装，王畿之地的力量反而相当薄弱。
蒙古大军占领大嫠后，沿苍山山麓小道，很快直抵羊苴咩城下。经南诏大理国近五百年经营的羊苴咩城，可以说是固若金汤。从战略上说，蒙古军并无十分把握攻占此城。
回想唐朝天宝年间，唐军就曾攻至城下，最后却落得全军覆没的下场。所以，蒙古军虽有兵临城下之优势，但忽必烈并不急于攻城，他认为如果能兵不血刃，订立城下之盟，那才是上善之策。
于是，忽必烈再次派遣玉律术、王君侯、王鉴三位特使入城，谕示大理国段氏出降。但大理国段氏、高氏君臣却颇为自信，他们杀了蒙古使臣，丝毫不理会忽必烈的招降。
国王段智兴、相国高泰祥引兵出战，与蒙古军大战于羊苴咩城下。面对坚固的城池和高昂的士气，蒙古军一时攻城难克，忽必烈决定再遣使臣招谕大理国君臣，劝其出降。“三返弗听”，大理国断然拒绝投降。
忽必烈命令蒙古勇士组成一支特别队伍，绕道苍山西坡，由西向东翻越苍山。这支登山部队，十之八九死在苍山之上，但最终完成使命。
存活下来的军士，在苍山上组成一支奇兵，军旗招展，鼓号齐鸣，由山顶直冲而下，突入城中。大理国君臣被这种“太阳从西边出来”的气势所逼，弃城而逃，退守姚州、善阐。
此次军事行动，是自南诏统一洱海地区以来，外部军事力量第一次攻入羊苴咩城，南诏大理国城防体系被蒙古铁骑踏破。
忽必烈采纳募臣姚枢建议，禁止妄杀，安抚百姓，稳定秩序。忽必烈命令姚枢裂帛为旗，上写“止杀”，分头号令各街巷，于是军民安定。姚枢还搜集了大理的图书档册。
蒙古军队乘胜追至姚州，与在那里久战不胜的东路军会合，攻克姚州城，俘获大理国相国高泰祥。蒙古军队将其押往大理，劝其投降，高泰祥宁死不降，忽必烈怜其忠诚，不忍杀害，许其高官，高泰祥坚持不受，忽必烈只好命令将他处死。
高泰祥引颈受戮，临刑时呼之：“段运不回，天使其然，为臣陨首，吾事毕矣！”此时原白日正午，晴空万里，倏忽间雷电大作，风沙愁惨，观者莫不掩泣。忽必烈叹曰：“忠臣也！”以礼葬之。
同年十二月，夫人段氏抱孤儿高琼、侄儿高长寿到忽必烈面前申诉，忽必烈怜其孤忠，谓左右曰：“此忠臣之后，宜善视之！”封其在统矢逻做官，并受世袭。后来，高氏子孙有的被封为姚安、鹤庆等地方的土司，世代承袭三十多代，直至改土归流。
蒙哥汗四年，忽必烈北归，留兀良合台继续进攻。蒙古军在兀良合台率领下，擒获大理国末代国王段智兴，并将他送到蒙古。蒙哥汗施以怀柔，赐金符，令其归国，继续管理原属各部。大理国从段思平至段智兴，共传二十二代，历三百一十七年，于此灭亡。
蒙古军队虽获得大胜，但损失也是空前的。当年出师奔袭大理国的十万铁骑，仅存两万，损失了五分之四。至今，云南许多地方都还有为数众多的“鞑子坟”，据说就是当年蒙古阵亡将士的墓冢。
忽必烈灭大理国，但建昌、会川各部落不服统治，部落之间争夺也异常激烈。到忽必烈称帝后，建昌落兰部诸土酋长兼并了各部落，元军多次征伐建昌，都屡遭失败。直到忽必烈执政晚期，才最终实现平定各部。
蒙古灭大理国之后，对云南实行了二十年的军事管制。行省建立之前，蒙古先在大理立“元帅府”，总制大理国旧地，后改为“大理善阐都元帅府”，再后改为“云南诸路宣慰司”，下辖万户、千户、百户府。
后来，忽必烈在云南设立行省，任命赛典赤为平章政事，改万户、千户、百户府为路、府、州、县，云南从军事管制时期进入正常的行政管理阶段。云南行省建立时，将首府由大理迁至中庆，结束了大理作为云南首府的历史。
大理国灭亡后，蒙古“斡腹之举”的战略意图实现，对南宋形成了夹击之势。后来，当蒙古军三路进攻南宋时，大理国王段智兴的叔父段福率领“爨白军”随蒙古军征战至鄂口。
