十二年正月，伯颜鉴于四川、湖南、江陵（今属湖北）等地未下，为保障后方安全，命右丞阿里海牙领兵4万镇守鄂州。自率10余万大军，令降将吕文焕为先锋，以战抚兼施之策，沿江东进。因沿江诸郡多系吕氏旧部，元军所至皆纷纷归降。二月，宋贾似道奉命督师13万，战舰2500艘，于丁家洲（今安徽铜陵北）至鲁港（今安徽芜湖西南）进行阻击。因将帅各怀异志，临阵先遁，诸军一触即溃、致使宋军精锐损失殆尽。元军东进至太平州（今安徽当涂），江东运判孟之缗以城降。三月，元军至建康（今扛苏南京），宋沿江制置使赵滑弃城遁，都统徐王荣等以城降。镇江知府洪起畏遁，总管石祖忠以城降。偏师取饶州（今江西波阳）、宁国府（今安徽宣城）。广德军（今属安徽）、溧阳、常州（均属江苏）等地相继归降。忽必烈命伯颜行省于建康，阿刺罕为参知政事；阿塔海、董文炳以行枢密院驻镇江（今属江苏），令其各守营垒勿进。命阿术率军攻扬州（今属江苏），阻其南援。
宋廷为挽救危局，相继发兵戍银树、东坝（今江苏高淳东）、四安镇（今安徽广德东）、独松关（今浙江安吉南）、吴江（今属江苏）等要地。命保康军承宣使、总都督府诸军张世杰自临安发兵三路北进抗元，先后收复广德、溧阳、常州等地。
阿里海牙率军于荆江口败宋湖北安抚副使兼知岳州高世杰，占领岳州（今属湖南）。旋破沙市镇（今江陵东南），屠其城，征降江陵（今属湖北），招降澧州（今湖南澧县）、常德（今属湖南）、峡、复（今湖北宜昌、天门）、鄄等州。阿里海牙用兵荆湖的胜利，为伯颜进军临安解除了后顾之忧。
七月，张世杰与平江都统刘师勇、知泰州孙虎臣率战舰万艘，以十舟为一舫，连以铁索，碇于江中，横列焦山江面，欲与元军决战，被阿术以水陆协同进击，配以火攻击败，损失惨重。长江防线彻底崩溃，临安危在旦夕。
忽必烈纳建康行省右丞相伯颜建策，乘胜灭宋。命右丞阿里海牙攻湖南，都元帅宋都带、左副都元帅李恒、汉军万户武秀、张荣实取江西，以切断南宋东西联系；命行省左丞相阿术率军攻扬州，阻淮东宋军南援；命伯颜率主力直取临安。十月，伯颜于镇江分兵三路南攻；参政阿刺罕、四万户总管奥鲁赤等为右路军，率步骑自建康经溧阳、广德攻独松关；同行中书省事董文炳、万户张弘范、两浙大都督范文虎等为左路军，率舟师经江阴军（今江苏江阴）、许浦（今江苏常熟东北），由海路趋澉浦（今浙江海盐南）；伯颜与右丞阿塔海宰中路军向常州、平江（今江苏苏州）进发，并节制诸军，会师临安。十三年正月，三路大军会师皋亭山（今浙江杭州北）。宋摄政太皇太后谢道清拒绝张世杰、文天祥背城一战，以图求存建策，一面送益王赵星、广王赵昺南逃，一面遣使赴元请降。丞相陈宜中遁温州（今属浙江），张世杰、苏刘义等各率所部离去。二月初五，宋恭宗赵显率百官于临安降元。伯颜取谢道清手诏，招降未附州县。淮西制置使夏贵以淮西降元。淮东制置使李庭芝坚持抗元至七月，应流亡政权之召，欲讯海南归，副将朱焕以城降元，李庭芝、姜才等被俘杀，淮东尽为元军占领。江西战场，宋都带、李恒等破隆兴府（今江西南昌）后，招降十一城。旋于团湖坪（今江西万年西南团湖山下）、龙马坪（今江西进贤北军山湖畔）击败宋军抵抗。十三年二月，破建昌军（今江西南城）、临江军（今江西清江西南）。吉、衰（今江西吉安、宜春）、赣（今属江西）等州相继降，江西平。湖南战场，阿里海牙于十三年正月攻破潭州（今湖南长沙），旋招降湖南未附州县及韶州（今广东韶关）、南雄（今属广东）等州，湖南平。
二王的覆灭
十三年五月，陈宜中、张世杰、陆秀夫、文天祥等在福州拥立益王赵罡为帝，改元景炎。封广王赵昺为卫王，陈宜中为左丞相兼枢密使、都督诸路军马，张世杰为枢密剐使，陆秀夫为签书枢密院事，文天祥为枢密使、同都督。遣将向江西、两浙南部进兵抗元。六月，元军为追歼南宋残部，于鄂州、临安设尚书省，下设诸路宣慰司。命诸路将帅继续南进。张世杰被迫拥赵昺、赵昺逃往海上。十一月，平章阿里海牙进军广西，于静江（今广西桂林）击败守将马暨，遣将招降广南西路大都州县。十四年五月，，文天祥率军进攻江西，各地义军纷起响应，收复除赣州之外所辖九县，吉州八县复其半。后因势孤力单败退广东，旋于五坡岭（今广东海丰北）被俘。十五年二月，元西川行院使不花率重兵围攻重庆，城破，守将张珏被俘。继而征降夔州，八个月后，合州（今四川合川东）守将王立以城降。四川平。四月，宋帝赵罡卒，张世杰、陆秀夫又拥立赵昺为帝，徙至匿山（今广东新会南）。六月，忽必烈为彻底消灭南宋势力，命张弘范为蒙古、汉军都元帅，率水、步骑军2万由海道南下，都元帅李恒率步骑由陆路南下，会歼南宋残部。十一月，张弘范由海道袭漳（今属福建）、潮、惠（均属广东）三州。李恒率步骑越大庾岭入广东，取英德（今属广东），占领广州。十六年正月，张弘范、李恒率军会