時人將餘玠比作唐代西川節度使韋皋。當年韋皋亦暴斃而死，傳說是為朝廷所派刺客所害。而今『大將未死敵手』的悲劇再度上演，餘玠竟落下與韋皋一樣的命運，這正是中國歷史最可悲、最可嘆的地方。這個曾經力挽狂瀾、拯救四川危局的傳奇人物，本可以更有所作為，就這樣不明不白地死去。
寶祐元年（1253年）五月甲午日，宋理宗聽信權臣謝方叔、徐清叟讒言，出人意料地發出庚牌，召四川制置使餘玠回朝奏事。
當時四川在餘玠的苦心經營下，軍力、財力、民力均已經復甦，不需要再由南宋朝廷調兵、運餉支援。也就是說，總理四川軍、財、政大權的餘玠已經完全可以不再受朝廷掣肘。反倒正是這一點，加上餘玠喜歡個人便宜行事的個性，讓朝廷對他頗有疑忌。正好出了王夔事件，利戎司統制姚世安自代為主帥，拒聽餘玠軍令，並利用與權臣謝方叔的侄子交好的關係，想走謝方叔的路子來制衡餘玠。謝方叔正嫉恨餘玠，自然不會錯過機會，於是他一面假意調停餘玠與姚世安的關係，一面造謠中傷餘玠，誣陷他掌握大權，卻不知事君之禮。宋理宗對餘玠在蜀中的威名也心存疑懼，甚至懷疑餘玠有自立為王的可能，聽信了權臣謝方叔、徐清叟讒言，緊急召餘玠入朝。
庚牌發出十六天後，六月庚戌日，宋廷收到四川制置司送來的急報，稱蜀帥餘玠病情危急，已不能視事。根據行程推斷，上報餘玠病情的奏報大概與宋理宗發出緊急詔令同時。宋理宗得報後，不知真實狀況到底如何，懷疑餘玠裝病不朝，於是又拜其為資政殿學士，「恩例視執政」，以為安撫。此為朝廷所發出第二道詔令。
十天後，宋理宗又草率地決定以餘晦為權刑部侍郎、四川安撫制置使、知重慶府兼四川總領財賦，入蜀接替餘玠的職事。餘晦之前任臨安府尹，言聲甚差。就連嫉恨餘玠的權臣徐清叟也認為餘晦「素無行檢，輕佻浮薄，不堪任重。如以餘晦當此任，臣恐四川五十四州軍民不特望而輕鄙之，夷狄聞之，亦且竊笑中國無人矣」。但宋理宗卻以「詔命已頒」為由，不肯收回成命。因擔心餘玠擁兵自重，不聽詔令，宋理宗又以餘玠病重難理軍政為藉口，再下詔令，命「餘玠以興元府歸附之兵分隸本路諸州都統，務撫存之，仍各給良田，制司濟以錢粟」。此即為第三道詔令，意在削奪餘玠兵權。
然更換蜀帥一事，遠比宋理宗預想的要順利得多。在第一道詔令到達重慶後沒幾天，餘玠本人便暴病身亡。朝野間流言紛紛，如雪花一般漫天飛舞——有人稱餘玠是自殺殉節，以免回朝後遭到政敵迫害；有人稱餘玠是被仇家下毒暗害，兇手就是現任利戎司統帥姚世安，其意在為前任主帥王夔復仇，並保住他自己的位子；有人說是秦鞏汪氏派人暗害餘玠，意在報汪世顯和闊端先後被害之仇；還有人說兇手是昔日白鹿茶肆賣茶翁的後人；甚至有人說是朝廷派暗探下的毒手。
時人將餘玠比作唐代西川節度使韋皋。當年韋皋亦暴斃而死，傳說是為朝廷所派刺客所害。而今「大將未死敵手」的悲劇再度上演，餘玠竟落下與韋皋一樣的命運，這正是中國歷史最可悲、最可嘆的地方。這個曾經力挽狂瀾、拯救四川危局的傳奇人物，本可以更有所作為，就這樣不明不白地死去。但四川人民沒有忘記餘玠，蜀中民眾聽到餘玠的死訊後，無不悲哀難過，如同失去至親親人。宋理宗為平復民心，特贈餘玠五官。但朝中大臣對餘玠的攻擊卻依然如故，並愈演愈烈。餘玠心腹部將金戎司主帥王惟忠也因招降闊端一事失敗被誣告暗通蒙古，於臨安斬首示眾。對修建釣魚城有重大貢獻的冉璡、冉璞兄弟也被迫去職還鄉。就連餘玠本人也受到追削資政殿學士職名的處分，直到寶祐三年（1255年）八月謝方叔罷相以後，才又「詔追復餘玠官職」。而後來奸臣賈似道當權，貪婪粗鄙，好蒐羅各種奇珍異寶，他聽說餘玠死時，棺木中有玉帶，竟然下令掘開餘玠的墳墓，取走了玉帶。
餘玠一死，蒙古終除真正心腹大患。其人死後不到一個月，蒙古即全面展開新一輪的斡腹計劃，新任漠南總領忽必烈親率大軍從六盤山出發，取道吐蕃，過雪山，渡金沙江，沿路攻城略地。當年冬季，到達大理境內。大理相國高祥屯兵大理城固守。十二月，在三路遠征蒙軍的包圍進攻下，大理城破，皇帝段興智逃奔善闡，相國高祥於逃跑途中被蒙古軍擊殺。忽必烈迅即指揮蒙古軍四出略地，佔領了除善闡以外的大理國土。次年秋，善闡被蒙古軍攻破，大理皇帝段興智被俘後投降。至此，建國三百一十七年的大理國滅亡，共歷二十二主。
蒙古人殺盡高氏，扶段氏重新執政，立大理皇帝段興智為大理總管，從此段氏死心塌地追隨蒙古，派出軍隊跟隨蒙古軍東征西討。大理公主段霜——也就是昔日的若冰，她回大理後自承為殺死高言的兇手，差點為相國高祥所殺。還是段興智以命相搏，這才勉強保住了女兒性命，後遁入深山，不知所終。蒙古最終成功在南宋南部安插了一塊基地，完成了南北包抄夾攻南宋長江中上游地區的計劃。從此南宋王朝腹背受敵，惶惶不可終日。
1253年忽必烈攻大理圖
此時，蒙古已佔領統治了中國絕大部分領土，疆域包括淮河至秦嶺以北，甘肅、新疆、青海、西藏及雲南大理等，從南北西三面形成了對偏安江南的南宋王朝的包圍形勢。忽必烈受命負責徵宋事宜後，採納謀士姚樞的建議，改變此前秋去春來、專事擄掠的作戰方法，在江淮和四川前線分兵屯駐要地，以守為主，亦耕亦戰，廣積糧儲，充實邊備，以為久戰之計。在四川戰區，汪德臣立城利州，屯田戍守，且耕且戰，使利州成為蒙古軍進攻四川的橋頭堡。「蜀人憚其威名，諸郡環視，莫敢出鬥」。劉黑馬則初定成都，與汪氏兩相呼應，鞏固了蒙古對川北、川西的統治。
寶祐四年（1256年）六月，蒙古大汗蒙哥召集諸王百官，商討攻宋之計，這實際上已經拉開了蒙古全面滅宋計劃的序幕。經過討論，蒙哥隨即制訂了以進逼臨安、滅亡南宋為目標的計劃，命幼弟阿里不哥留守蒙古本土，自己親率軍隊大舉攻宋。此次，蒙古精兵強將傾巢而出，不滅南宋誓不罷休。蒙軍主力兵分三路：蒙哥親率主力軍攻打四川，預備先圖全蜀，然後沿江而下滅亡南宋；其弟忽必烈率一軍攻打鄂州；塔察兒、李璮等率軍佯攻兩淮，牽制南宋兵力；兀良合臺自雲南出兵，經廣西北上，攻打潭州，再到鄂州與忽必烈會師。
為了配合蒙古大汗親征，蒙古軍佔據了宋人廢棄的成都城，正式在此立城設署，以圖全蜀。宋理宗雖然荒淫昏聵，但也料到蒙軍此舉必有圖謀，於是以成都之得失關係全蜀安危為由，嚴令四川制置使蒲擇之務須收復成都。皇帝下了聖旨，蒲擇之自然不敢怠慢，決定親自出馬，收復成都。事先，蒲擇之也做了周密部署，派都統楊大淵把守劍門關，負責阻擋利州蒙軍汪德臣部南下；又派都統段元鑑守衛靈泉山，大將劉整在江箭灘佈防，負責阻截蒙古大將紐璘從夔州增援。這樣，成都的蒙古軍就處於孤立無援的境地。
1259年蒙哥大舉攻蜀示意圖
一切安排妥當後，蒲擇之親自率主力自重慶攻打成都。當時駐守成都的蒙軍主帥阿答胡剛剛病死，本來時機對宋軍十分有利。不料蒙古大將紐璘驍勇善戰，首先在江箭灘突破了宋軍防線，率援軍衝進成都，然後整頓人馬，領軍固守。蒲擇之雖然成功圍困住成都，卻久攻不下，又剛好遇上雨季，陰雨連綿，天氣潮溼悶熱，宋軍士氣十分低落。不久，蒙軍汪德臣部衝破宋軍防線，趕來增援，與成都城內的紐璘部內外夾擊，終於衝跨了蒲擇之精心佈置的包圍圈。蒲擇之失利後，率軍退回重慶。
蒙古紐璘解成都之圍後，趁機反守為攻，進圍成都府治所在地雲頂山城。雲頂山是貫通東西川的軍事要衝，東與炮臺山鎖江相望，共扼沱江金堂峽江防，西控成都平原，北恃高定關與小云頂互為依託，控制成都至潼川之要道，是成都東面之門戶。宋代建國之初，就因為這裡地勢險要，在山下設立懷安軍，這樣，無論東川還是西川有事，均可憑藉扼守雲頂山而不得越境。餘玠入主四川后，著手建立山城防禦體系，雲頂山城便是其中之一。正因為雲頂山城易守難攻，所以才將成都府治由成都遷到雲頂山城。
雲頂山如此要地，宋軍自然要全力防守，宋將劉整率軍阻擋紐璘軍，但被蒙軍擊敗。從成都撤退的蒲擇之率軍經簡州東撤，雲頂山城陷入孤立無援之中。城中食盡，守將姚世安投降。這是雲頂山城建立十五年來的首次失陷，餘玠當年苦心經營的川西最重要的堡壘，最終由政敵姚世安拱手獻給了蒙古人。
雲頂山淪陷後，由於失去屏障，西川彭州、漢州、懷安軍、綿州等地相繼失陷，威州、茂州諸蕃亦歸附蒙古。宋成都府治不得不南遷嘉定。自此，南宋勢力退出西川，蒙古軍進一步鞏固了在川西平原的統治，為蒙哥大舉圖蜀奠定了基礎。
寶祐六年（1258年）七月，蒙哥大汗親自率四萬主力，由六盤山出發，經寶雞入大散關。同時，命留駐成都的紐璘率軍奔襲南宋四川軍政大本營重慶，以牽制四川境內宋軍，阻止長江下游之兵援蜀。自此，蒙軍展開了對四川的大規模攻勢，宋軍則節節敗降。蒙哥取金牛道入蜀。十月，入利州，渡嘉陵江，進駐劍門，攻陷苦竹隘，宋將楊立戰死。十一月，蒙古軍攻破長寧山城。閬州大獲城守將楊大淵舉城投降，並領所部兵從徵。蓬州運山城宋將張悅投降。青居城裨將劉淵殺都統段元鑑出降。位於渠江南岸的大良城守將蒲元圭也挈城投降。一時間，沿線諸郡破竹而下。
寶祐六年（1258年）底，蒙哥與另一路蒙軍相會於合州釣魚城下。這是蒙哥登上汗位後第一次親征，兵鋒直指釣魚城，自然因為其軍事價值重大。時人有云：「夫釣魚山，西鄰嘉定，可以召兵；北近閬、劍，可以乞援；南通滇、黔，可以取貨財；東達荊、湘，可以運谷粟。有高山峻嶺可以據要害，有廣土眾民可以屯重兵。民風號為純古，盜賊未嘗侵犯，誠金城湯池，天府之國也。城釣魚山以為固守計，則異時可以省軍費，而藩籬之勢成為無窮之利，守備之宜莫大於是。既有守備矣，然後可以議攻戰之利，當分責於諸路軍人。如嘉定之師，則當責以收復漢、邛；瀘州之軍，則當責以戡定資、簡、成都；夔、萬之軍，則當責以收復渠、達、重慶；合州之軍，則當責以規復利州、潼川。劍、閬諸路乘隙蹈瑕，聲東擊西，克服全蜀。蜀定而後江南可保，荊湘可守，而中原亦可以相繼恢復，此璉、璞對踞畫地之時，早有以計及之也。吾觀餘玠經理西蜀圖，乃知當日形勢在釣魚山。制置使持節於此，積粟斂兵以鎮之，如鎮子於局心，真所謂‘欲運四旁，莫如中央者也’。將來王師大舉，收復成都、潼川，因利乘便直搗興元，進規陝、甘，是扼其吭，撫其背，制其死命之策也。」足見釣魚山既可以作為抵抗蒙古軍東下的基地，又可作為將來宋軍收復失地的大本營。
當時釣魚城亦被四川民眾認為是難以攻破的堡壘，城中聚集了大量逃避兵亂的邊地之民，聚居多達十數萬人。興戎司主帥王堅同時兼任合州知州，為釣魚城的最高軍政指揮官。自餘玠暴斃而死後，王堅預料到四川形勢必將進一步惡化，為了鞏固城防，立即著手大規模修繕加固釣魚城城防工事，徵用所屬五縣民丁多達十七萬人，並訓練軍隊，組織民兵，儲薪屯糧，日夜不懈，進行戰備工作。在王堅的領導下，釣魚城的防衛力量大大得到加強——釣魚山山腳的南北兩面各築有一條延伸至江中的城牆，名為「一字城」，用以攔截敵軍，當地人稱為「橫城牆」；又在江邊修建了南北水軍碼頭，佈設戰船，往來警戒，上可控三江，下可遮蔽重慶。一字城牆和水軍碼頭組成了雙重防線，有力地保證了釣魚城的外圍；為了保障後勤，王堅還派人在城內挖天池、鑿水井，可謂兵精糧足，水源充足。事實證明，正是由於王堅的深謀遠慮，才直接導致了釣魚城保衛戰的勝利。
而蒙古一方，因大汗御駕親征，也對釣魚城勢在必得。蒙哥本人曾經遠征過歐亞許多國家，戰無不勝，攻無不克，自負驍勇善戰，威名遠播，自入四川以來，也是節節勝利，因此極為狂妄，大有已經視南宋江山為己物之意，一到合州，便派投降的宋人晉國寶前去招降。結果，晉國寶一進釣魚城，就被合州知州王堅下令逮捕，押到閱武場斬首示眾。
蒙哥吃了個閉門羹，面子上極為難堪，惱羞成怒下，決定強攻釣魚城。蒙軍將領術速忽裡認為：「釣魚城地勢險要，易守難攻，不值得花費時間，不如繞過它直下江南。一旦我們奪取臨安、滅亡南宋，釣魚城不攻自破。」然而，恃強好勝的蒙哥斷然拒絕了術速忽裡的建議，發誓要用武力征服釣魚城。如此一來，一場大戰不可避免。
此時的蒙哥無論如何都沒有想到，這場即將到來的大戰不僅葬送了蒙古無數精兵強將，甚至他本人的生命，更由此改變了蒙古與南宋的戰爭格局，甚至減緩了蒙古勢力對歐、亞、非等國的威脅，在中國史乃至世界史上都留下了濃墨重彩的一筆。
開慶元年（1259年）正月，寒風凜冽，蒙哥迫不及待地開始了攻城行動。正式進攻前，他做了周密部署：分兵進攻釣魚城周圍的城池要塞，如派宋降將楊大淵攻合州舊城、庶弟末哥攻渠江流域的禮義山城、曳剌禿魯雄攻平梁山城，以切斷釣魚城與外界的聯絡；又派留駐成都的大將紐璘進攻忠州、涪州二縣，並在藺市造起一座浮橋，以阻絕長江下游宋軍的增援。又在銅羅峽據險為壘，以阻遏重慶宋軍北進增援。這樣一來，釣魚城孤懸一隅，完全成為了一座孤城。在蒙哥看來，在這樣的情況下，兵強馬壯的蒙軍再對釣魚城發動攻勢，不過是甕中捉鱉而已。
二月，蒙哥親自率軍從釣魚城東北渡過渠江雞爪灘，駐營於釣魚城東五里的石子山一帶。為了徹底孤立釣魚城，不讓城內宋軍出城半步，他首先派人掃清了江上宋軍船隻，又命大將史天澤屯軍在城南，專門封鎖嘉陵江江面，阻滯宋軍援兵；派另一大將汪德臣屯軍城西南角，負責奪取城外山寨。清掉外圍後，蒙古軍的強攻終於開始了。二月初三，蒙哥親自督軍進攻。二月初七，蒙古軍猛攻「一字城」。二月初九，蒙古軍猛攻鎮西門。緊接著，連續進攻新東門、奇勝門、鎮西門，均遭失敗。王堅率領軍民憑藉天險地利據守，多次擊退了蒙古軍的進攻。
激烈的進攻從二月一直到三月。然而，經營多年的釣魚城防衛工事發揮了最大作用。儘管蒙古軍擅長攻城，攻城器具也十分精良，「專恃炮為長技，以數百人拽一炮，中樓櫓立碎」，但在地勢險峻的釣魚城下，完全不能發揮作用，蒙古軍始終徘徊在城下，無法前進半步。而遠在臨安的宋理宗也從奢侈荒淫的生活中驚醒過來，對釣魚城的戰局十分關注，採取了大規模的救援行動，任命呂文德為四川制置副使兼知重慶府，領兵入蜀，專解釣魚城之圍。
從四月初三開始，四川暴雨連綿，電閃雷鳴中，大雨一連下了二十天，蒙古軍攻勢由此受阻。到了四月二十二日，天氣初晴，蒙古軍立即集中精銳，偷襲城南的護國門，但未能得手。四月二十四日深夜，蒙古前鋒總帥汪德臣親自率領精兵猛將，繞道西北，偷攻外城，攻破城北出奇門至嘉陵江一側的「一字城」，一度登上城頭，與守城宋軍展開激烈搏鬥，殺傷多名宋軍。王堅聞訊立即派副帥張珏率勇士力戰反擊，終於打退蒙古軍，重新奪回了「一字城」。
五月，四川進入夏季，酷熱無比。蒙軍士兵耐寒不耐熱，軍中瘟疫蔓延，士氣十分低落。王堅則趁機在半夜率兵出城，偷襲蒙古軍營地。當時釣魚城被重兵圍困，蒙古軍自始至終不知宋軍究竟從何而來。
原來當年蒙古奸細藏身在釣魚城護國寺中時，曾挖了一條通道，連通護國寺儲糧洞和天泉洞，作為隱蔽之所。宋軍副帥張珏由此得到啟發，派人在飛簷洞裡挖了一條秘密孔道，俗稱「一線天」，直通到護國門東面城牆下，宋軍可由洞口可懸索垂吊出城。這一看起來不起眼的軍事工程，到臨戰對敵時發揮了重大作用。蒙古軍驚擾不安，日夜警惕，由於水土不服，又得不到好好休息，戰鬥力大為削弱。不少蒙古軍將領勸蒙哥就此收兵，繞過釣魚城，直奔臨安。將領術速忽裡認為：屯兵堅城之下是不利的，不如留少量軍隊困擾之，而以主力沿長江水陸東下，與忽必烈等軍會師，一舉滅掉南宋。但蒙哥一生還從來沒有碰到過釣魚城這樣難啃的骨頭，他的憤怒和傲氣被釣魚城的頑強最大地激發出來，完全聽不進任何人的意見，無視氣候、地理的不利條件，發誓要不惜任何代價，奪取釣魚城。
這時候，宋軍援兵正由水路增援釣魚城，呂文德率戰船萬艘，沿長江溯江而上，於五月下旬與擔任阻截宋援兵任務的蒙古大將紐璘在涪州相遇。呂文德採納將領曹世雄、劉整的計謀，攻斷了紐璘架設的浮橋，乘勝追擊，猛攻蒙古軍部署在銅鑼峽的水上防線，一度取得了優勢。
六月初，呂文德最終衝破蒙古軍封鎖，進入重慶，隨即率艦千餘艘沿嘉陵江北上，救援釣魚城。到達三槽山西，與前來阻截的蒙古軍遭遇。蒙古大將史天澤分軍為兩翼，跨江側射，並親率舟師順流縱擊，奪取宋軍戰船百餘艘，擊退呂文德援軍，並乘勢追至重慶。
儘管增援釣魚城的宋軍為蒙古軍所阻，始終未能進抵釣魚城下，但被圍攻達數月之久的釣魚城依然物資充裕。有一天，王堅命人將兩條三十斤重的鮮魚及百餘張蒸麵餅拋下城牆給蒙古軍，並致信蒙哥道：「你等再攻十年，城亦不可得。」
而相比於宋軍的鬥志高昂，釣魚城外蒙軍的狀況就相當糟糕了，軍士畏暑惡溼，多有中暑者，瘧癘、霍亂等疾病也在軍中流行。然蒙哥大汗堅持不肯退兵，發誓不攻破釣魚城，決不離開。
六月初五凌晨，蒙古軍前鋒元帥汪德臣率軍趁夜色突破外城馬軍寨，宋軍副帥張珏率兵拒戰，形勢一度對宋軍不利。不料天快要亮時，突然天降大雨，蒙古軍攻勢受阻，攻城的雲梯也被宋軍用木石擊斷，最終被迫撤退。不少隨蒙哥出征的蒙古軍名將均戰死在釣魚城下，蒙軍損失極為慘重。
汪德臣見釣魚城地勢險要，防禦堅固，蒙古軍無法攻破，為了立功，竟然單騎來到釣魚城下，指名要與宋軍副帥張珏對話，想憑藉一張嘴勸降張珏。他大談汪氏與釣魚城之淵源，又稱表妹安敏曾懇請蒙哥大汗對張珏及釣魚城手下留情，一度激怒大汗，差點因此而丟了性命，張珏若是識時務，便該舉城投降，如此，與安敏尚有相見之日。據說蒙哥曾評價汪德臣「汝身雖小，膽若山大」。汪德臣單身勸降之舉不但是膽若山大，而且是異想天開。張珏的回答非常乾脆，就是命人直接拋射下一堆飛石。汪德臣當場被飛石擊中，雖被蒙古軍救走，然很快就因為傷重死在了縉雲山寺廟中，時年三十六歲。為了掩蓋這不光彩的一幕，蒙古軍對外宣佈汪德臣的死因為病死。
汪德臣是汪氏第二代核心人物，是汪世顯爵位的繼承者，他的意外喪生，對蒙古軍是個不小的打擊。蒙哥聽到汪德臣的死訊後，十分痛心，一度扼腕嘆息，更加對眼前可望而不可即的釣魚城不勝其忿。他想來想去，認為釣魚城久攻不下，是因為蒙古軍一直不知道釣魚城內的真實情況到底如何，於是下令蒙古軍在新東門外箭程之地築一高臺，打算以此窺探城內虛實，以便決戰。王堅得知蒙古軍在城外築臺後，料到蒙哥如此爭強好勝，必定會親自登臺窺探城內虛實，於是命張珏暗中做好準備。
七月，蒙古軍高臺築成。七月二十一日，果然如王堅所預料的那樣，蒙哥親自登上高臺，想看看這座令自己費神不已的釣魚城到底有何能耐。不料剛上高臺，早有準備的宋軍炮石齊發。副帥張珏親自發射了一罐震天雷，雷罐在高臺上方爆炸，矢石四濺，蒙哥當場中飛石受傷。七月二十七日，蒙哥不治身亡，死前怒火未熄，留下遺言道：「我之嬰疾，為此城也。不諱之後，若克此城，當赭城剖赤，而盡誅之。」交代日後攻下釣魚城，務必屠盡城中之民。他至死還是不能對敗在釣魚城之下釋懷，由此可見釣魚城之戰當時酷烈到何等程度。與之前的汪德臣之死一樣，為了掩飾這一極不光彩的敗局，蒙古官方說法為蒙哥染病而死。
蒙哥一死，蒙軍無主，不得不北還回蒙古老家，釣魚城之圍由此而解。釣魚城之戰是蒙古軍南下攻宋以來遭受的最嚴重的挫折，尤其是這一勝利戲劇般地扭轉了整個局勢，蒙古大舉攻宋之役因蒙哥喪生釣魚城下而告終。誰都沒有想到，在各路蒙軍節節勝利的情況下，南宋已經危在旦夕，甚至已經有大臣向宋理宗提議遷都四明，歷史卻意外因為這場釣魚城保衛戰而改寫。
就在蒙哥主力大軍徘徊在釣魚城下之時，其他各路蒙軍均進展順利。蒙哥死時，其弟忽必烈正在搶渡淮河，渡河之後，立即進兵鄂州。鄂州地處長江中游要衝，為南宋軍事重鎮，之前由於四川形勢岌岌可危，鄂州大部分宋軍已經前去增援四川，防衛空虛，只有都統權州事張勝主事。忽必烈認為機不可失，決意要儘快攻下鄂州，直逼臨安。就當他率領大軍到達長江北岸黃陂（今湖北黃陂北）時，其庶弟末哥派人緊急從合州趕來，告知蒙哥意外戰死的訊息，並勸忽必烈立即北返繼承汗位。
忽必烈自從受蒙哥之命總領漠南漢地軍國庶事後，徵用漢人儒士治理中原，拉攏地方武裝集團以擴充實力，其經濟、軍事實力位居諸王之首，聲望大增，被中原漢族儒士奉為「中國之主」。蒙哥大汗聽說後，深為猜疑，一度剝奪了忽必烈的軍政大權。此次蒙古軍南下之前，忽必烈本已被冷落，剛好大將塔察兒打攻東線無功受責，這才改由忽必烈替代。忽必烈知道鄂州空虛，認為指日可下，因此不願意功虧一簣，決定繼續進兵。他派董文炳為先鋒，突破宋軍的水上防線，自己親率主力由陽邏堡渡江，駐營於黃州白鹿磯，遣人勸降無效後，開始圍攻鄂州。宋理宗急忙派大批人馬趕赴鄂州增援，宋名將高達率先突破了蒙軍的包圍圈，闖進鄂州城，與鄂州守將張勝合兵，併力拒守。
忽必烈在圍攻鄂州同時，另外分出兩路兵馬，一路前往湖南，準備與自雲南北上的兀良合臺軍會合，另一路由大將鄭鼎率領，負責襲擾江西。鄭鼎軍長驅直入江西，直奔隆興。宋江西宣撫策應大使趙葵急忙從信州退保隆興。蒙軍溯贛江而上，攻臨江軍，知臨江軍陳元桂登城督戰，力竭不能敵，被俘後遇害。宋瑞州知州陳世昌棄城而遁，蒙軍直入瑞州，又擾興國、南康、撫州等州縣，江西大震。因為江西地僻兵稀，頗有無力解南宋京師臨安威脅之虞，宋廷震恐，一時遷都之議驟起。內侍董宋臣勸說宋理宗遷都四明以避戰火，左丞相兼樞密使吳潛也表示贊成，並自願留守臨安。軍器監何子舉、監察御史朱貔孫等上疏反對，諫言遷都將引起「三邊」將士瓦解，盜賊蜂起。皇后謝道清也請留駐臨安以安人心。宋理宗本猜忌吳潛，擔心其仿效張邦昌故伎，遷都之議遂止。
到了十一月，忽必烈圍攻鄂州兩個多月，戰事完全處於膠著狀態。宋軍援兵陸續趕往鄂州，剛剛增援四川的呂文德調任京湖制置使，自四川揮師東下，衝破蒙軍阻截，乘夜突圍進入鄂州城中，加強了鄂州的防禦力量。新上任的右丞相兼樞密使賈似道也從漢陽移軍黃州，扼守長江衝要。
就在局面對宋軍有利之時，賈似道私下派使者到蒙古軍營求和，表示願意稱臣納貢。忽必烈沒有同意。這時，忽必烈妻子察必派人前來密報阿里不哥正在蒙古大本營謀立大汗，催促忽必烈立即北返。忽必烈為了爭奪汗位，決定立即撤軍，臨行前還虛張聲勢，揚言要立即進攻臨安。賈似道非常緊張，恰好此時傳來了蒙古大汗蒙哥的死訊，他才稍稍緩過氣來。畏敵如虎的賈似道不但不乘機出擊，反而再次派人前往蒙古軍營，請忽必烈派人前來議和。忽必烈正要出發北歸，立即順水推舟，派趙璧為使者前往宋軍營議和。賈似道的談判代表提出：請蒙古軍北撤，南宋向蒙古稱臣，降為藩屬；兩國以長江為界，南宋割讓全部江北土地；南宋每年向蒙古進貢銀幣二十萬兩，綢緞二十萬匹。正在談判之中，蒙古使者趙璧遠遠望見蒙古軍營搖旗相招，立即動身離去，臨別時說：「他日再議。」當天，忽必烈大軍即拔營北返。這個所謂的和議即成為初步的口頭協議。
蒙古軍撤退後，賈似道不顧忽必烈主動撤兵的事實，隱瞞割地賠款求和的真相，同時截殺殿後的蒙古軍士卒，用他們的人頭謊報抗蒙得勝，為此上表說：「諸路大捷，鄂圍始解，江漢肅清。宗社危而復安，實萬世無疆之休。」昏庸的宋理宗不辨忠奸，認為賈似道立了大功，特下詔褒揚，說賈似道「隱然殄敵，奮不顧身，吾民賴之而更生，王室有同於再造」，加封其為少師、衛國公。賈似道回到臨安時，宋理宗更是下令群臣到郊外迎接「功臣」賈似道，慶祝來之不易的「勝利」。從此，賈似道完全把持了朝中軍政大權。其後他為了鞏固權位，大力排斥異己，將熟悉邊防事務的大臣排擠出朝，當時武將中除了主動依附於他的呂文德和馬光祖外，其餘全部去職。南宋朝政更加腐敗。
忽必烈撤軍後，正在圍攻江西隆興的蒙古鄭鼎部以及湖南潭州的兀良合臺部也隨即撤軍。這樣，三支蒙軍主力，南下的忽必烈以及北上的兀良合臺軍均是一路克捷，完全按照預定計劃進軍，只因西路主攻戰場蒙哥的失敗而功虧一簣，導致了蒙古這場聲勢浩大的滅宋戰爭全面瓦解，從而使南宋朝廷多延續了二十年。可以說，完全是釣魚城保衛戰扭轉了整個戰局。
而蒙哥之死不僅僅改變了中原的戰局，延續了宋祚，還緩解了歐亞戰禍，阻止蒙古勢力向非洲擴張。當時，蒙軍正在旭烈兀帶領下發動第三次西征，先後攻滅盤踞裡海以南諸山城的木剌夷國，攻陷巴格達、滅黑衣大食，並侵入敘利亞。敘利亞國王納昔兒棄大馬士革逃往埃及，留守長官獻城投降。正當旭烈兀準備向埃及進軍時，得知蒙哥死訊，於是命大將怯的不花率軍兩萬繼續攻掠敘利亞各地，自己率大軍東還以尋機爭奪汗位。結果怯的不花因寡不敵眾而被納昔兒軍隊打敗，蒙古軍所佔領的敘利亞各城得而復失。從此，蒙古的大規模擴張行動走向了低潮，蒙古勢力始終未能打進非洲。正因為釣魚城在戰爭史上的重大意義，改寫了世界中古歷史，因此被歐洲人稱為「東方麥加城」「上帝折鞭之處」。
蒙古軍退兵後，建立不世奇功的釣魚城主帥王堅聲名響遍大江南北，成為眾望所歸的英雄人物。南宋朝廷也加意恩寵，封王堅寧遠軍節度使、依前左領軍衛上將軍、興元府駐紮，御前諸軍都統制兼知合州，節制兵馬，進封清水縣開國伯。
然而，蒙哥的靈柩還未走遠，英雄的事蹟猶在耳邊迴響，餘玠的悲劇命運再一次降臨到王堅身上。權臣賈似道嫉妒王堅戰功，生怕他功大壓相，將他調回京城臨安。從此，王堅再也沒有回到他全心全意經營的釣魚城，備受權臣的疑忌排斥，最終於景定五年（1264年）抑鬱而死。合州軍民聽到王堅的死訊後，無不悲痛欲絕，特意立廟祭祀，建碑紀念王堅的功勞。王堅之子王安節後來也在德祐元年（1275年）保衛常州抗擊元丞相伯顏率領的元大軍時身亡。
王堅離開釣魚城時，舉薦中軍都統制馬千替代自己為興戎司主帥。之所以沒有舉薦副帥張珏，是因為他曾與蒙古公主安敏有過一段糾纏，二人關係應該很不簡單，不然當初汪德臣也不會想到利用此節來勸降。而安敏彼時已下嫁秦鞏汪氏新一代核心人物汪良臣為妻，王堅擔心此事多少會對張珏有影響。後來馬千之子馬嵩在運糧餉途中被蒙古軍俘虜，投降後不斷寫信招降父親，馬千頗為躊躇。朝廷派在合州的暗探將此上報後，宋理宗斷然罷免了馬千，改任張珏為主帥，兼利州東路安撫使、合州知州。
四川作為戰區，仍然是宋、蒙兩方反覆激戰爭奪的目標。張珏上任後，積極恢復當地的農業生產，外以兵護耕，內教民墾田積粟，訓練士兵，修整兵器，為保衛合州做好了充分的準備。
鹹淳二年（1266年）十一月，張珏派部將收復渠州州治所在地大良平山城。次年四月，蒙古軍又進攻合州，此時蒙軍的水師已經初見規模，水陸兩路來勢洶洶。張珏將船碇泊在款龍溪一帶的江面，截斷水流，積成一座水城，挫敗了蒙古水軍的攻勢。
然而蒙古仍然不肯放棄四川，鹹淳七年（1271年），蒙古在成都設定四川行省。也正是在本年，蒙古忽必烈正式建國號為大元。在四川戰場，釣魚城仍然是宋元雙方爭奪的焦點，張珏「魁雄有謀，善用兵，出奇設伏，算無遺策」，為保衛釣魚城立下了赫赫戰功。然一人終究難以獨撐大局，南宋局勢日益危急，四川大部亦落入元軍之手。當時大元皇帝忽必烈已將京師遷往大都，元軍在四川分設東、西川行樞密院。西川行樞密院由李德輝和汪世顯第四子汪良臣主持。李德輝是忽必烈藩邸舊臣，曾任太子真金老師，除了主持四川事務外，還兼任皇子安西王王相，是忽必烈派在陝川的心腹。汪良臣雖只是汪世顯第四子，既無長子身份，也不像二哥汪德臣那般繼承了父親汪世顯的爵位，卻因娶了闊端之女安敏公主而身價倍增，有駙馬都尉頭銜。東川行樞密院則由死在釣魚城下的汪德臣長子汪惟正主持，彼時他已經繼承了父親的爵位，並娶耶律楚材孫女耶律晝錦為妻，亦是漢人大臣中的顯貴。汪氏叔侄二人分別幾次致信張珏，勸其投降，汪良臣甚至多次抬出了亡妻安敏的名頭，然張珏只是置之不理。
德祐元年（1275年）五月，張珏升任四川制置副使、重慶知府，成為領導全川抗元鬥爭的主帥。宋廷因久聞其大名，知其善於用兵，對元軍作戰多能取勝，命他帶兵赴京保衛臨安。然入川所有通道已被元軍阻斷，詔令未能送到張珏手中。
1279年忽必烈定蜀示意圖
當年，兩院元軍兵分兩路進擊，預備一鼓作氣佔領全川，最後在重慶會師。
雖然東、西川行樞密院長官都是姓汪，但卻不大和睦。東院長官汪惟正是因其父汪德臣而顯貴，而汪德臣卻只是汪世顯次子。當年汪世顯降蒙，長子汪忠臣入質大汗窩闊臺帳下，次子汪德臣入質二皇子闊端帳下，汪世顯死後，汪德臣反而繼承父親爵位，地位反超長兄，且對諸兄弟盛氣凌人，餘人自然不服。蒙哥登上汗位後，亦親近汪德臣，但因其鋒芒太露，又扶持汪世顯第四子汪良臣來制衡汪德臣父子，將安敏公主嫁給了汪良臣。汪良臣由此成為汪氏家族尚主第一人，地位甚至超過了汪德臣。汪德臣死後，汪惟正雖然繼承了父親的爵位，但受寵信程度明顯不如四叔汪良臣。他認為父親和自己才是四川戰場上功勞最大的人，對汪良臣因妻而貴憤憤不平。這一因地位變化而產生的矛盾，直接表現了在東、西兩院的軍事行動上。
西川行院先攻陷敘州，隨即進抵瀘州州治神臂城。宋方瀘州主帥為梅應春，即昔日因避戰亂到釣魚城借讀的梅秀才，他於寶祐四年（1256年）中進士，同榜者有文天祥、謝枋得及其弟梅應申等人。初授餘干令，後主動上書朝廷，稱「當國事多艱之日，盡忠竭智，不二其心」，還作《復瀘凱歌》道：
重壁山前瑞色開，浮環夜渡捷騎來。一旗金鼓轅門曉，喚得滿城生意回。休訝朝家奏報遲，平生忠孝鬼神知。但留一片丹心在，會有天回地轉時。
朝廷感其忠心，於是將梅應春派到四川，任瀘州安撫使。然當元軍水陸大軍到達神臂城下時，他並沒有「盡忠竭智」，也沒有「但留一片丹心在」，而是作《望楚賦》稱：「廣、陵同根於李，而所處異域，亮、瑾均樹於菖，而所事殊國。」不顧幕僚劉霖勸阻，主動打出降幡，還將反對投降的部將李丁孫、唐奎瑞等人殺害。元軍授梅應春為瀘州安撫使，命他與元千戶熊耳同鎮守神臂城。其餘元軍則在降臣趙金等人的引導下，直向重慶殺去，預備搶在東院之前佔領南宋四川軍政大本營，立下頭等大功。
東川戰場上，開、達、巴、渠諸郡已先後為東川行院元軍所攻取，只剩下合州釣魚城及其支援下的重慶、涪州和夔州等幾個沿江孤城還在宋軍控制之中。四川局勢風雨飄搖，一時降官如毛、降兵如潮。儘管東川元軍前期節節勝利，然進抵釣魚城下時，卻再也無法前進一步。眼見西川行院軍沿江東，節節進逼重慶，東川行院軍卻久阻釣魚城下，無尺寸之功。為了和西川行院爭功，東川行院遂棄釣魚城不攻，集中兵力，合圍重慶。於是重慶城便被元東、西川行院的五路大軍團團圍困，自秋徂冬，援絕糧盡，形勢十分危急。
張珏時任四川最高軍政長官，本該赴重慶上任，然在元軍大力圍攻重慶的局面下，只能繼續留在合州釣魚城中，但「屢以死士間入城，許以赴援，且為之畫守禦計」。為了解重慶之圍，次年（1276年），張珏派部將趙安襲擊元軍東川行院所在地青居城，生擒元安撫使劉才、參議馬嵩，逼迫部分元軍回師青居城，減小了重慶壓力。隨即再派部將張萬率精兵乘坐鉅艦，自水路突破元軍重圍，衝入重慶城，由此增加了重慶守軍的防備力量。