1251年，宪宗蒙哥即位，在处理完黄金家族内部的夺权纠纷后，部署了对各地征伐。蒙宋战争进入第二阶段。
蒙哥在安排军事征伐时，命察罕、也柳干统两淮等处蒙古、汉军；带答儿统四川等处蒙古、汉军；和里解等统吐蕃等处蒙古、汉军，“皆仍前征进”⑥。而以皇弟忽必烈主持漠南蒙古汉地军国庶事。对南宋的征伐，忽必烈广泛听取汉地儒臣和将领的意见，帮助大汗制定了更具进取意义的政策，在部署军事任务的同时，更重视解决粮饷问题，并在沿边建立屯驻基地。在巴蜀战场，巩昌便宜总帅汪德臣重筑沔州城，设官置署，作为深入四川内境的基地；在白龙江一带发展屯田，寓兵于农，把截了宋人北进的大门，为向四川用兵奠定了基础。在荆襄战场，采纳姚枢的建议，“以春去秋来之兵，分屯要地，寇至则战，寇去则耕，积谷高廪。边备既实，俟时大举”⑦。在两淮战场，命张柔移驻毫州，修路筑桥，通商贾之利。同时，河南经略司杨惟忠也在唐、邓、申、裕、嵩、汝、蔡、息、毫、颍等州开展屯田，以解决军队粮饷。经此安排部署，蒙古军在东起陈、毫，中经襄阳，西至唐、邓的沿边一线和川蜀战场，皆置重兵，改以往以虏掠、骚扰为主的战略为屯驻重兵，亦耕亦守，屯田积谷，利则出战的军事进取与恢复经济并举的方针。
以往的对宋战争，巴蜀战场进展较大，两淮与荆襄因淮水与长江的阻隔，进展迟缓。蒙哥改变以往三条战线齐头并进的战略，依然采取当初灭金所用的战略。宪宗二年（宋淳祐十二年，1252），蒙哥命忽必烈远征大理，实行对南宋更大规模的包抄。
同旭烈兀西征一样，仍从东、西道诸王的大军中每十人抽二人，并派一名宗王随从忽必烈远征，以大将速不台之子兀良哈台总督军事。同时，还有汉人董文用、董文忠兄弟和郑鼎所率的汉军。在进军之前，也照例遣人入大理先行招抚。三年（宋理宗宝祐元年，1253），忽必烈师至临洮，吐蕃首领、同知临洮府事赵阿哥潘又令其子率军从征。由于赵阿哥潘兄弟的支持协助，大军顺利通过叠、宕等吐蕃、羌人地区。
师至忒剌（又做塔刺，今甘肃省迭部县与四川若尔盖县接壤的达剌沟）后，兵分三路，“大将兀良哈台率西道兵，由宴当路（今四川阿坝草原）；诸王抄合、也只烈帅东道兵，由白蛮；帝（忽必烈）由中道”⑧。
兀良哈台自忒剌经四川色达、甘孜、新龙、理塘、稻城、得荣一线水草丰美的大草原，进军顺利。秋季，由旦当岭（今云南中旬境）进入云南。
古代风景画鉴赏忽必烈经阿坝草原沿大渡河西岸南下，一路招降牧区部落，鱼通（今康定东路）、长河（今泸定县大渡河西）、宁远（今石棉县与九龙县境）等地先后归降。然后渡大渡河，进入宋黎、雅之境。青羌五姓土司之一的杨土司部将高保四率先迎降，并引导大军招降了东岸部落。九月，忽必烈进攻黎州。过飞越岭（今汉源县西北），抵满陀城（即宋盘陀寨，今汉源县西北飞越岭至石城间）。留辎重于陀城，督军迅速南下，与西路会。十月，中路军于富林渡口再过大渡河。取古清溪道，经安宁河谷，“经行山谷二千余里”，十一月抵金沙江，以革囊及筏渡江。自北胜府汴头（今云南永胜境）渡江，再由丽江石关南进。中路所经为大渡河河谷地带，“山径盘屈”，有时不得不“舍骑徒步”，忽必烈历经艰难险阻，多次不得不由汉将郑鼎背负而行⑨。
东路取川西北通往内郡的古隘道，自忒剌至松（今四川松潘）、茂（今四川茂汶）二州。出岷江故道，经成都，进攻与四川南境相邻的大理白蛮地界。时余玠已死，新任蜀帅无能，四川防务废弛，东路军顺利通过宋军防线，下黎、雅，渡大渡河。
大理国拒绝招抚，加强防备。兀良哈台在降附的摩些部落（在大理北四百余里）的支持帮助下，进入察罕章（今云南丽江），攻下了不受招抚的部落，打乱了大理国的防御部署。十二月十三日，诸军毕集，包围大理城。十五日，城破。大理国主段兴智出奔善阐（今云南昆明市），国相高祥逃至统矢罗（今云南姚安），被追杀。
四年（1254）春，忽必烈班师，留兀良哈台戍守大理，继续征服尚未归附的部落。秋，兀良哈台下善阐。五年（1255），进取赤秃哥（今贵州西部）、罗罗斯（今四川凉山地区）。大理各部均被征服。六年（1256），段兴智以大理地图来献。
“忽必烈通过远征大理之役，为蒙古军迂回包抄，从长江以南进攻宋朝开辟了新的战场”⑩。此后，留戍云南的兀良哈台分别向四川、贵州、广西用兵。
宪宗六年（1256），蒙古诸王大会于欲儿陌哥都（月一儿灭怯土），商讨大举伐宋。以灭宋为目标的战争全面展开。蒙古军仍然分为左右两路南下。左翼军由塔察儿统率，包括诸王也松格、察忽剌、忽林赤，驸马纳陈、帖里干，将领不只儿、忙哥忽剌察儿、察罕等，号称大军三十万。右翼由蒙哥亲自统领，包括诸王窝阔台系的合答黑（也可合丹）、秃塔黑，察合台系的忽失海和其宗王阿必失合、纳邻合丹、合答黑薛禅，拖雷系的末哥，蒙哥子阿速带以及火儿赤那颜等军队。此外，尚有诸部军和汉军。1256年秋，塔察儿率左翼军南下，他们过东平，到汉江，攻襄、樊。因军纪不严，却热衷于掠夺，竟未能攻下一城一地，遭到大汗的谴责。
1257年，塔察儿攻樊城，“霖雨连月，乃班师”。
1258年，蒙哥出师。四月，驻跸六盘山，调集大军四万号称十万，分三路入蜀。蒙哥率主力自陇州入大散关；诸王末哥由洋州人米仓关；万户孛里叉由渔关人沔州。
先令左翼塔察儿佯攻两淮，李迪攻宋东海一线，在江淮战场牵制宋军；留守成都的蒙古将领纽邻抢渡马湖，奔袭重庆，牵制四川境内的宋军。莫哥、孛里叉两路先行为大军继进扫除障碍。后因塔察儿统率左翼师出无功，屡屡受阻，被撤去统帅重任，改用遭谗家居的忽必烈为东道统帅，仍命张柔从忽必烈征鄂，趋杭州。命兀良哈台自云南北上，次年正月与东路军会于长沙。
七月，蒙哥以明安答儿留守京兆，大将浑都海留守六盘山辎重，自己则领兵自陇州出发，经大散关至汉中，取金牛道入蜀，至利州。取剑门关西苦竹隘（今朱家寨），拔长一宁山城（今剑阁县东南，苍溪县西北），降大获（在苍溪县蕉南四十里）、运山（又作云山、燕山隘，在蓬安县东南三十里）、青居（今南充市南三十里）、大良（在渠江流域南岸）诸城。年底，进攻重庆。自蒙古军入蜀，境内数十座山城或降或陷或被围困，真正能担负起屏蔽重庆，支撑抗战责任的只有重庆北七十公里的钓鱼城。
“钓鱼城位于嘉陵江、渠江、涪江交会之冲，正面控扼三江展开的扇形地区，背依华莹山脉，既可阻止南下的蒙古军的长驱直入，以蔽重庆，也可以联结渠江，组成一道封锁开达、夔峡之路的防线”，同时，“四周峭壁悬崖”，“山势险绝”，“是易守难攻之地”。钓鱼城守将是宋兴元都统兼，他采取“保民练武”的方针，兵精粮足城坚，具有可供城内军民长期坚守、独立作战的条件。
蒙哥决意攻取钓鱼城，他命人分兵四出切断钓鱼城与外界的联系，准备了各种攻城武器，包围和攻打钓鱼城。南宋曾派兵攻打成都，以解钓鱼城之围，未能奏效。蒙古军围攻不止，损失惨重，士气低落。虽打退了前来增援的宋将吕文德，攻城之役进行了五个多月，无任何进展，招降也遭拒绝。七月，久旱酷暑，军中大疫，蒙哥病死。随征军士，除留下汪氏和纽邻的军队外，其余都随蒙哥子阿速带北撤。
忽必烈受命南征后，1259年十一月自开平起程，翌年二月至邢州，五月至小濮州，六月至相州。他沿路招见汉臣、儒生和隐士，询问作战方略，进军得失。七月从所俘南宋人处得知蒙哥死于四川军中的消息，未之信，继续南下。九月渡淮，攻破大胜关（今河南罗山县南），进入淮西，至黄陂（今湖北黄陂北），决定由阳逻堡（今湖北新州阳逻镇）渡江，驻军江北。九月，从蒙哥征蜀的末哥送来蒙哥已死的消息，要求忽必烈北还继位。但忽必烈不愿无功而回，于是组织诸军渡江成功，并乘胜围攻鄂州（今湖北武昌）。南宋调兵援鄂，忽必烈一面继续围攻，一面遣兵南下湖南，接应自广西入湘的兀良哈台。蒙哥死后，南宋四川方面军事压力减轻，吕文德回师援鄂，东路军压力顿时增加。但南宋权臣、右相、荆湖宣抚策应大使贾似道畏敌不敢战，密遣使至蒙古军前议和。十一月，忽必烈妻察必遣使至军前请其速回，忽必烈与贾似道议和后撤军北还。蒙宋战事暂停，边境局势缓和。
注释
①《元朝秘史》载：“在后成吉思差使臣主卜罕等通好于宋，被金家阻挡了。以此成吉思狗儿年再征金国。”主不罕又译作搠不罕、绰不干、苏巴尔罕。
②陈世松等《宋元战争史》，四川社会科学出版社，1988年；屠寄《蒙兀儿史记·塔察儿传》，《速不台传》。
③《宋元战争史》。
④《元史·木华黎附塔思传》记载：“甲午秋七月，……。诸王大会，帝顾塔思曰：‘先皇帝肇开大业，垂四十年。今中原、西夏、高丽、回鹘诸国皆已臣附，惟东南一隅，尚阻声教。朕欲躬行天讨，卿等以为何如？’……塔思对曰：‘臣家累世受恩，图报万一，正在今日。臣虽驽钝，愿仗天威，扫清淮、浙，何劳大驾亲临不测之地哉！’”于是命塔思与王子曲出（阔出）总兵南征。
⑤金牛道，又名石牛道，为秦、蜀间重要通道。起自今陕西勉县西南，越七盘岭入四川，经广元趋剑阁。见《宋元战争史》。
⑥《元史·宪宗纪》。
⑦《元文类》卷六○《中书左丞姚文献公神道碑》。
⑧《元史·世祖纪》。
⑨《元史·郑鼎传》，惟鼎传误将“世祖”记为“宪宗”。
⑩《宋元战争史》。