宋咸淳七年十一月十五日（1271年12月18日），忽必烈改蒙古国号为元，以示正统，是为元世祖。次年二月，迁都大都大兴府（今北京）。
早在宋咸淳三年（蒙古至元四年，1267）十一月，刘整“奏攻宋方略，宜先从事襄阳”。如攻占襄阳浮汉入江，则宋可灭。次年七月，忽必烈命刘整协同阿术围攻襄阳，宋将吕文德艰苦拒守。咸淳五年十二月，吕文德病死后宋军继续抗击。宋咸淳九年（元至元十年，1273）正月，樊城在被围4年后失陷。二月，宋襄阳守将吕文焕降元，历时5年的襄樊保卫战结束。
元军占领襄阳后，次年六月决定大举伐宋，以伯颜领河南等路行中书省，并晋升为统帅，会师于襄阳，分军为三路侵宋。七月，度宗死，子赵■即位，年仅4岁，是为恭帝，理宗皇后谢道清以太皇太后垂帘听政。
宋德祐元年（元至元十二年，1275）初，元军已顺流东下，宋沿江城邑纷纷败降。二月，宋相贾似道以战舰2500艘、战士7万，抗击元军于丁家洲（今安徽贵池北），伯颜命左右翼骑兵夹江而进，炮声远震百里，宋军大败，贾似道逃往扬州，江东及淮西诸郡相继败降。
同年十一月，伯颜分军三路直奔南宋首都临安，阿剌罕率西路军从建康出广德，东路董文炳率舟师向澉浦（今浙江海盐南）；伯颜从中路节度诸军，定期会于临安。
元军长驱直入，宋将王安节保卫常州达两月之久，十一月中旬常州破，死者无数，邻邑望风奔溃，遂迫临安。次年正月初八日（1276 年2月4日），伯颜进至皋亭山（今浙江杭州东北），宋遣使迎降，但还求保留宋朝。次日，勤王抗元的文天祥被宋任命为右丞相兼枢密使，并奉命与伯颜交涉，文天祥因坚持不降而被元军扣留。二月初五，南宋恭帝降。五月初，恭帝及生母全太后等被押至大都，6岁的宋恭帝被降封为瀛国公，元至元十九年（1282）被迁往上都（开平府，今内蒙古正蓝旗东），后为僧，元至治三年（1323）死。
从1235年窝阔台汗对宋用兵至1276年伯颜入临安，南宋恭帝降，共约40年之久。