北方政局稳定后，忽必烈决定采用南宋降将刘整建议，先拔襄阳，浮汉水入长江，进取南宋。至元五年(1268)，命阿术、刘整督师，围困隔汉水相望的襄、樊重镇，襄樊军民拒守孤城达六年。至元十年初，元军攻下樊城，襄阳守帅吕文焕出降。次年六月，忽必烈命伯颜督诸军，分两路大举南进。左军由合答节度，以刘整为前锋，由淮西出师。伯颜本人与阿术领右军主力，九月，自襄阳出发，沿汉水入长江同时，命董文炳自淮西正阳南逼安庆，以为呼应。十二月，元水师入长江，克宋江防要塞阳逻堡。宋汉鄂舟师统帅夏贵遁，汉阳、鄂州宋军降。伯颜分兵留阿里海牙经略荆湖，自领水陆大军顺流而东，以吕文焕为前锋。宋沿江诸帅多为吕氏旧部，皆不战而降。十二年二月，贾似道被迫督诸路精兵，抵御元军。这时，他仍企图奉币称臣议和，被伯颜拒绝，只好在池州下游丁家洲勉强与元军会战。因宋军内部不和，一触即溃。同年秋，伯颜从建康(今江苏南京)、镇江一线分兵三路趋宋都临安(今浙江杭州)。十三年正月，宋幼帝赵燕上表降元，宋亡。十六年，完全占领四川，又追灭南宋卫王于崖山，完成了全国的统一。