最终建成了青居、大获、钓鱼、云顶共十余座城池，都依山势构筑营垒，星罗棋布，作为各州郡治所，屯兵聚粮，制定坚守的方案。又转移金州（今陕西安康）的军队到大获，以守护蜀中关隘；转移沔州（今陕西略阳）的军队到青居城；兴州（今陕西略阳）的军队暂驻合州旧城，后移守钓鱼城，共同防备内水一带的敌扰；转移利州（今四川广元）军队到云顶城，以防备外水一带的敌扰。在这种布防下，各城兵力的气势贯通。余玠又指令嘉定知府在成都辟地屯垦，蜀中因此殷实富足。
经过数年的谋划和准备以及派出小股宋军的侦察和试探，余玠终于在1250年率四川宋军反攻蒙军，进攻四川的大基地兴元（今陕西汉中）。
蒙军自从1236年开始，便以兴元作为进攻四川的大本营，当初这个提议是女真人夹谷龙古带提出的，因此窝阔台任命夹谷龙古带为兴元安抚使，后来贵由汗又任命他为知兴元行省。夹谷龙古带经营兴元十余年，把兴元建设得城高墙坚，堡垒相连，屯放了蒙军的大批物资，蒙军对四川的多次入侵就是以兴元作为后方基地的。
兴元就是三国时代的汉中，周围关隘很多，而且北有秦岭。收复兴元的话，南宋就可以前出到秦岭一带，离西安也很近了，就算不出兵图关中平原，以秦岭作为防线，也可以重现历史上的多次南北对抗的格局，那四川就易守难攻了，否则四川便只有受攻击的份。余玠的愿望就是收复整个巴蜀以还朝廷，因此进攻兴元是必然的，而且是战略重点。
经过谋划，在进攻兴元之前，余玠先派出几支宋军向川北另一侧的陇蜀边界发动进攻，以吸引蒙军注意力往西转移。之后，余玠亲率宋军主力，号称十万北伐，从金牛道北上秦蜀边界，击败蒙古利路元帅王进，接着又于罗村、西县（今陕西勉县）等地三次击败蒙军，到第二年（1251年4月），包围了兴元。同时，派出军队烧毁栈道，阻止北方蒙军南下救援兴元，然后便展开对兴元的总攻。
夹谷龙古带在兴元城里的蒙军并不多，只能闭门坚守，不敢出战。但是由于兴元的防御坚固，加上这部分蒙军本来就是专门组建来防御兴元的，因此急切间宋军也攻打不下。
北方的蒙军紧急南援，蒙古都元帅秃雪率兵到达大散关，因栈道被毁而无法南下，正在着急时却意外抓到三名从兴元地区逃跑的蒙军。秃雪赦免他们的死罪，命令他们带路，从小路绕过栈道，实现了军事史上的又一次“暗度陈仓”。
秃雪部蒙军取道陈仓，经褒谷南下，突然抵达兴元城下，增强了蒙军在兴元的防御。与此同时，蒙军汉将郑鼎率兵抢修栈道，不久也修建完毕，使得北方的蒙军源源不断地南下，扭转了兴元地区宋蒙的军力对比。
面对这种情况，余玠乘虚夺取兴元的计划已经不能实现，宋军久攻兴元不下，师老兵疲，一旦给蒙军内外夹击必然全军溃败，所以余玠当机立断率部丢弃重型军械撤退，反攻兴元到此失败。第二年，即1252年，在蒙哥汗登上大汗之位后，蒙军一来是为了报复，二来是为了打击宋军，对四川再次发动大规模入侵，蒙军从金牛道入蜀，经成都附近直扑嘉定（今乐山）。
嘉定是南宋四川镇西之根本，加上这次是从1246年蒙军四路侵蜀以来最大规模的入侵，余玠紧急向南宋朝廷求援，请求调吕文德部两万人入川。在吕文德未入川的时候，余玠便已抽调四川的精兵赶往嘉定救援。
嘉定，是我们前面提到的四川二十山城体系中的一个，是宋军四川防御的一个基本点，蒙军的多次进攻都未能攻下嘉定。余玠率援军到达嘉定城外之后，分配各路宋军轮流作战，白天由嘉定守军去消耗蒙军的攻势，到了晚上，南宋援军便多路出击袭扰蒙军，嘉定守军大量使用劲弩恃险固守，使得蒙军损失极多，最后不得不退兵。
而在蒙军退兵的过程中，北方各山城趁机出来袭击蒙军，碰见蒙军大军则禁闭山城固守，碰见小股蒙军则趁机夜袭消灭蒙军。蒙军此次孤军深入进攻嘉定，撤退时处处受制约，损失更多，吕文德部援军尚未入川，蒙军便仓皇撤离四川，余玠的山城防御体系再次经受住了考验。而蒙古也认识到，不逐一拔除四川北部的山城，是无法安心南下的。
可惜，此后不久，余玠因官场倾轧遭诬陷，被解除一切职务，之后郁郁而终，直到死后数年才得以平反，那时的四川局势已经大大恶化了。
与长江上下游的激战不同，这几年里的荆襄战场都没有什么仗打，孟珙1246年死后，贾似道接任京湖制置使做了三年，之后李曾伯任京湖制置使做了两年，李曾伯大大增加了襄樊地区的守备力量，使襄樊成为长江中游最坚固的军事基地。
绕道大理
蒙哥的第一步国家战略，便是巩固蒙古前线，防止南宋反攻，同时靠这些巩固了的军事基地，作为入侵南宋的后方基地。同时，蒙哥检讨了蒙古从窝阔台时期以来，对宋作战的战略得失，改正了初期那种处处进攻、兵力分散、缺乏配合、各自为战的混乱局面，将进攻的重点放在长江上游的四川地区。
为此，蒙哥封亲弟弟忽必烈领治汉地（原金国领地），命令忽必烈把驻地南移到上都（今内蒙古正蓝旗），同时在原金国土地上实行行省制度。同时在靠近南宋边境的地区大量兴建军事基地和进行屯田，在四川战场有沔州基地、益昌基地等，特别是益昌基地，是蒙军在四川的第一个立足地。蒙军为了建设它、宋军为了摧毁它，双方前后打了四年争夺战，最终宋军失败，嘉陵江上游、白水江一带全部成为蒙军南下的基地和粮仓。
四川战场的基地建设，蒙军主要是靠汪德臣的谋划和坚持；而荆襄地区，就是靠谋士姚枢的谋划了。在姚枢的谋划下，蒙军设置河南经略司于汴京，专门负责河南地区的屯田，同时驻军唐州邓州建设前进基地，又修复了枣阳、光化、均州等地以之作为军事基地，与南宋的襄樊相对峙。
在两淮地区，由张柔主持修建了沟通汴京到两淮的河道，以方便军粮的运输，同时又在淮北以北沿线大量屯田，做好进攻的准备。这样，蒙哥经过几年建设之后，宋元交界的边境地带就成了一道军事基地和后勤基地的长线，从四川北部直到淮河下游。
这第一步战略实现之后，蒙哥便着手实施蒙古的第二步战略，效法成吉思汗“假道南宋、包抄开封灭金”的战略，决定远征大理，通过千里大迂回“绕道吐蕃（今川、青、藏交界地区）”，对南宋实行战略包围。蒙哥汗将这一重要任务交给了忽必烈执行。
公元937年（后晋天福二年），白族首领段思平推翻大义宁国（由唐时的南诏国而来），建立了以白族为主体的大理国，这就是戏剧小说中经常提到的第一代“段王爷”。其都城在今云南大理，辖今云南全境、四川西南部及贵州、越南、缅甸各一部。到忽必烈南征时，大理国已经有三百余年的历史了。但是到了宋代，大理国势衰微，末代大理国王段兴智，为人善良但懦弱无能，以至大权旁落，由丞相高祥代摄国政，内部矛盾日益激化，趋于分裂。因为一时间将四川地区三十万蒙军抽调了二十万南下，使得四川战场上的蒙军无力发动大规模攻击，并且南征蒙军因为水土、天气、密林、疾病、战争等因素前后死亡七八万之多。但从长远来看，征服大理对整个宋蒙战场的影响，是有利于蒙军的。
早在1248年，蒙古大将秃懑便率军绕出四川宋境，试图从羌人部落中寻路南下攻击大理。为了打通南攻大理的道路，秃懑进攻位于今泸定县以北的岩州，兵锋直抵二郎山东侧的雅安。这位秃懑乃是蒙哥大汗麾下的一员虎将，生性骁勇，攻城拔地，无坚不摧。此役，见过大世面的秃懑将军觉得志在必得，却不想自己会在阴沟里翻船。
面对连战连胜的秃懑，南宋朝廷临事抱佛脚，临时调集了一支三千人的地方部队，由杨文率领这支部队从碉门出发，前往二郎山脉一线抵挡蒙军东进。这是一场实力悬殊的战役。蒙军兵强马壮，士气如虹，兵力亦有数万之众；而宋军临时调集，连遭败绩，以区区三千弱旅抗拒数万常胜之师，战斗的结局似乎猜都猜得到。
可是，历史偏偏和常理开了个玩笑。在那个冬天，这支弱旅和蒙古大军会战于二郎山侧的马鞍山。正所谓“四边伐鼓雪海涌”，在银装素裹的大山之上，战鼓如雷，声震九霄，蒙古的马头弯刀划出锋利的弧线，在雕刻了貔貅图腾的宋军铜盾上碰撞出四散的火花。宋兵没有傻乎乎地去和强敌单挑，而是凭据有利地形，杀伤蒙军。狭窄的山道上，陡峭的悬崖边，都变成了他们克敌制胜的天然工事。一连三场大战，南宋三千儿郎越战越勇，将蒙古军一路向西赶，直逼至大渡河边。秃懑将军再也笑不出来，只得做了俘虏。
此一役，乃是蒙古大军进攻四川后的第一场大败。秃懑部全军覆没，迫使蒙哥大汗南平大理进而包围南宋的战略计划，不得不推迟了数年之久。
当然，忽必烈这次远征大理是蒙军主力的南下，而且绕道更远，非秃懑将军所能比肩的。1253年夏，忽必烈在大将兀良合台和诸王五十余人，还有汉族谋臣子聪、姚枢、郝经等人的协助下，驻军六盘山，准备越过四川和吐蕃地区，南下征服大理。为了顺利通过吐蕃地区，忽必烈派人到凉州召请八思巴到六盘山军营会见，他要求八思巴以吐蕃代表的身份到吐蕃地区摊派兵差，征集财物。八思巴强调吐蕃地区百姓生活贫困，拒绝执行，双方不欢而散。察必王妃亲自出面斡旋，八思巴同意收纳王妃等人为俗家弟子，并同意留在六盘山继续说法论道。于是察必王妃选择了二十四个能诚心信佛、遵守教规的人接受了喜金刚法戒，皈依了佛门，并说服忽必烈接受了八思巴为其夫妇举行的密宗喜金刚灌顶仪式，尊八思巴为上师，八思巴同意协助忽必烈通过吐蕃地区。他一边派人作向导，一边写信给吐蕃各地的领主大德，希望他们为忽必烈南征大理作贡献。这是吐蕃归附蒙古汗国之后的一项重大举措，它为吐蕃正式纳入中国版图起到了重大作用，也是元朝奉藏传佛教为国教、设立帝师制度的开端。
忽必烈于1253年8月，在八思巴的帮助下，从甘肃顺利进入吐蕃境内，然后南下直趋大理。大军行至一个叫曲先脑儿的地方，忽必烈夜宴群臣，席间闲话，姚枢给他讲起北宋儒将曹彬的故事：北宋初，宋太祖派遣曹彬平定南唐。行军途中，曹彬佯装生病，部下众将纷纷前来探望。曹彬告诉他们，自己是忧虑过度致病，只有他们保证攻下金陵（今南京）后，不抢劫、不屠杀百姓，他的病才会好起来。主帅如此，众将只好纷纷表态，约束自己的部下。后来曹彬的军队攻下金陵后，果然不杀一人，金陵安定如初，“市不易肆”。听了姚枢的故事，忽必烈没有说话。但第二天大军起程之时，忽必烈在马上看到姚枢，高声对他道：“你昨天晚上说的曹彬不杀百姓，我也能做到，我可以做到！”姚枢在马上拱手贺道：“圣人之心，仁明如此，百姓之福，国家之幸也。”
1253年9月，忽必烈督军至忒剌（今甘肃迭部县达拉沟，一说是今四川松藩县），分兵三路南进：兀良合台率西路军沿晏当路（今四川阿坝草原）而进，也只烈率东路军经茂州（今茂汶）趋会川（今会理西）以作牵制，忽必烈自率中路军经满陀城（今四川汉源北）渡大渡河，沿古青溪道南下，穿行山谷一千余公里，于11月初进抵金沙江畔，遣使赴大理国招降。大理国国王段兴智拒绝投降，并将蒙古使者处死，然后以丞相高祥率军屯戍金沙江沿线，又遣将领高通率一部驻会川，抵御蒙古军。12月初，大理军与蒙古中、西两路军对峙。兀良合台部越旦当岭（今云南中甸境）入大理境，招降么些部落（今纳西族），占领三赕（今丽江），从侧后攻击大理军主力。高祥见处境危急，匆忙退兵大理都城，凭坚固守。大理城东濒洱水（今洱海），西倚点苍山，北、南分别有龙首、龙尾两关（今上关、下关）为屏障。高祥以重兵据咽喉要地龙首关迎战，蒙古中、东路军先后渡金沙江与西路军会师于龙首关，合力攻击，全歼大理军主力，乘胜于12月15日占领都城。段兴智、高祥潜逃。忽必烈采纳谋臣姚枢建议，禁止妄杀，安抚百姓，稳定秩序，并遣军攻占附近堡寨，于姚州（今云南姚安北）俘斩高祥。四年春（1257年），忽必烈命兀良合台为总督军事，留在云南继续征讨还未归附的诸部，命刘时中为宣抚使治理大理，自率一部班师。是年秋，兀良合台率军攻占押赤城（今昆明），俘降段兴智，继以段氏领所部兵二万为先锋，攻克未附城寨，占领大理全境。
虽然此前忽必烈派去招降的使者被杀，但在姚枢等人的劝说下，忽必烈只处理了杀使臣的大理高氏，并命令姚枢制造一杆大旗，将止杀令书写在大旗上，然后巡街示众，“于是民心才得以稳定”。
回望这段历史，美国学者莫里斯·罗沙比有自己的分析，他在《忽必烈和他的世界帝国》一书中写道：“根据汉文资料，这次战役中真正的英雄当属姚枢……姚枢敦促忽必烈效法曹彬模式，他认为，这种非暴力的策略肯定会使大理放弃抵抗，向蒙古人称臣。但是，事实上这不过是一个中国式的神话而已。姚枢所建议的这种战术实际上蒙古人早已用了几十年了。每当他们到达一个城镇，他们总是向当地居民保证，如果对方投降，他们就不会摧毁城镇……在他（指忽必烈）之前，他的祖父曾一再用恐吓的办法迫使外国人向他屈服。通过最残酷的方式击败所有顽固抵抗的敌人，成吉思汗希望一路所向披靡，人们望风而降。实际上，蒙古人的政策和策略与姚枢的策略是十分相似的。因此，蒙古人并不需要姚枢的策略。这个解释应该比汉文资料中的描写更可信。”
莫里斯·罗沙比的《忽必烈和他的世界帝国》在西方拥有众多的读者，还被不少欧美大学列为亚洲史必读书，但这位美国学者的这段论述显然出现了误读。他弄错了一段史实，当初南唐并没有“以和平手段被征服”，曹彬打败了南唐主力，围困金陵数月之后，李煜才被迫投降。此时，因曹彬约束部下，金陵安定如初。因这个常识性错误，他也误解了姚枢的意思，姚枢并不是要以不杀一人招降大理，而是希望占领大理后不抢掠、不屠杀百姓。
在误读的基础上，罗沙比先生得出的结论并不合理，所谓“蒙古人的政策和策略与姚枢的策略是十分相似”之语，完全不得要领。
蒙古贵族以武力和屠杀为后盾的“劝降”，是策略，是权宜之计，是“霸道”；姚枢提倡的却是安定天下的政策，是“一百年不动摇”的原则，是“王道”。两者有着本质的区别。战争中，军队的抢掠和滥杀是很多时代都有的。在四处征讨的过程中，蒙古贵族大规模的抢掠和屠杀时常见诸史册，而在征战大理、南宋的过程中，这种情形大为减少，不能不说姚枢等人有劝诫之功。