蒙哥在得知忽必烈順利攻滅大理，完成對南宋的戰略包圍後，不由大喜，於是決定對南宋發動全麵進攻。公元1257年春，蒙哥因猜忌解除了忽必烈的兵權，命幼弟阿裏不哥留守漠北和林，然後親率大軍南下入蜀，並命令正麵的左右兩路大軍伺機而動，準備在攻下四川後，順江東下，三路大軍在鄂州(今湖北武昌)會師，然後南下直搗南宋國都臨安(今浙江杭州)。
公元1257年秋天，蒙哥率枷40000右翼軍突入四川，塔察兒亦率左翼軍包圍了樊城。塔察兒並無絲毫的軍事才能，在此後的一年多戰爭中，隻會擄掠財物，恣情享樂，並沒有攻陷一城，軍紀也十分渙散。蒙哥不得不起用忽必烈重統左翼軍馬，整肅軍紀，這才使得左翼軍隊建立了一些功勳。
蒙哥率領大軍於公元1259年初包圍四川重鎮合州，切斷了南宋援助部隊與合州的一切聯係。宋守將王堅毫不畏懼，率領合州軍民奮勇抵抗，蒙軍連攻5個月不克，蒙哥為此暴跳如雷，親缶前線督戰，結果被炮石擊傷，一個月後便死於軍中。
世祖忽必烈
(公元1215年～公元1294年)
在位時間：公元1260年～公元1294年
曾用年號：中統、至元
諡號：聖德神功文武皇帝
廟號：世祖
安葬地：起輦穀
早在漠北的時候，忽必烈就同大批中原漢族士大夫取得了密切的聯係，在忽必烈的周圍漸漸形成了一個漢儒幕僚集團，使得忽必烈的思想意識朝著不同於同輩皇兄弟的方向發展。忽必烈在漠北和林時，忽必烈接受了劉秉忠提出的“以馬上取天下，不可以馬上治”及曆代封建統治的經驗，使得忽必烈對舊製度造成的弊害有了清楚的認識，並希望在以後能建朝省、立法度、定官製，整飭賦稅，采用漢法。通過這些漢族丈人的幫助，忽必烈不僅自己努力接受、學習漢文化，還要其它蒙古貴族跟著學。
公元1251年夏，蒙哥繼承汗位後，將漠南漢地軍國庶事全部委托給忽必烈掌管。次年，忽必烈又得到關中地區作為封地。忽必烈麵對“漢地不治”的情況，在進一步拉攏漢族人士的同時，采取了招撫流亡、禁止妄殺、屯田積糧、整頓財政等一係列措施，以積聚雄厚的物資、軍事基礎，並任用熟習漢法的宋金官僚、知識分子進行統治，初步扭轉了局麵。
為了安定民心，忽必烈還屢次禁止諸將妄殺無辜，軍士有違令的，殺以示眾。致使諸軍凜然，幾乎沒有敢違犯命令的。對擄獲的戰俘，不殺也不擄為奴，而是主張釋放。
為了籌備進攻南宋的軍糧、軍費，忽必烈還十分注意屯田。公元1252年，忽必烈在唐州(今河南唐河)、鄧州(今河南鄧縣)等地屯田，並在鄧州設立屯田萬戶府。次年，又在鳳翔(今陝西鳳翔)屯田，以鹽換糧，供應軍餉。此外還發行了紙鈔。這樣，忽必烈逐漸控製了當時蒙古政權在中原漢地的很大一部分財權。忽必烈自掌管漠南漢地軍國庶事之後所實行的一係列措施，使中原地區得到了初步的治理，人戶逐漸增加，經濟慢慢地恢複起來，為忽必烈奪取政權奠定了經濟基礎。
忽必烈采用漢法治理漢地必然地損害了蒙古遊牧貴族和西域商人的利益，而在中原威望的日增，又形成了對蒙哥汗權的威脅。公元1257年，蒙哥借口忽必烈剛打完仗，又患有腳病，讓他留在家中休息，而以塔察兒為左翼軍統帥，解除了忽必烈的兵權、後來，蒙哥因塔察兒軍事失利，又命忽必烈重率左路軍征宋。在征宋的過程中，忽必烈又重新把東路軍的大權控製在自己的手中。
公元1259年夏，蒙哥在攻宋戰爭中身負重傷，死於合州(今四川合州)釣魚山下。忽必烈的弟弟、備受蒙哥信任的阿裏不哥在蒙哥諸予和親信大臣的支持下急忙策劃繼承汗位。
憲宗蒙哥是在南下伐宋的戰爭中死於合州城下的，因此，他生前沒有對嗣位問題作出安排。這就在蒙古王室內部引起了激烈爭吵。忽必烈有資格接替大汗的地位，但其皇弟阿裏不哥和憲宗蒙哥的兒子們也可以繼承汗位。這樣，爭奪汗位的鬥爭不可避免地在拖雷係諸王間發生了。
憲宗蒙哥南征時，阿裏不哥奉命留守和林，主持大兀魯思，管理留守軍隊及諸斡兒朵，在政治上處於十分優越的地位。同時，他擁有留守和林的軍隊，隨從憲宗南征的軍隊也有一部分歸附了他。蒙哥去世後，大軍在攻宋前線，阿裏不哥先發製人，派兵進至離忽必烈經營多年的根據地開平100餘裏的地方，給忽必烈造成了極大的威脅。
蒙哥去世時，忽必烈正奉命南征。力爭奪王位，忽必烈認為應返回漠北。正好南宋賈似道派使講和，忽必烈當即同意，斷然把大軍留在江北，自己率一支親軍先行。公元1260年春，忽必烈到達開平，召集忽鄰勒塔。在諸王塔察兒、也先哥、合丹、末哥等以及大臣再三勸進下，忽必烈終於在開平登上了汗位。緊接著，四月份，阿裏不哥在和林自稱奉遺詔，在另一些王的擁戴下繼承汗位。