三路攻宋元宪宗八年（1258）夏秋之交，蒙哥大汗开始三路攻宋。西路军由蒙哥大汗亲自率领，由陕西进攻四川；东路军由东道诸王塔察儿率领，从河南进攻荆襄；南路军由兀良合台率领，由云南出广西沿湖南北上，进攻檀州，意在与东路军会师于鄂州（今武汉）。蒙哥汗的西路军是三路大军的主力，大将纽邻任先锋，汗长子阿速台、亲王木哥、万户孛里叉、大将哈剌不花、乞台不花、浑都海，汉军万户刘太平、史天泽、刘黑马，汪古部大将汪德臣、汪良臣、汪惟正等随军参战，总数约10万人左右。战争一开始，西路军进军相当顺利，先锋纽邻在乞台不花、刘黑马等将领的协助下，在遂宁大败南宋刘整的军队，不久占领了四川重镇成都。纽邻令刘黑马留守成都，自己与副将乞台不花等率15000骑兵沿沱江南下，进攻叙州，活捉宋将张实。然后沿长江顺流而下，至涪江，造浮桥，驻军桥南北，阻止南宋援军。蒙哥接到捷报，立即率主力由陇州入大散关，让木哥率军由泽州入米仓关，万户孛里叉率军由渔关入沔州。当年十月，就进驻利州北山，与前锋军的利州守将汪德臣兄弟会合，准备在嘉陵江、白水的会合处渡江。十一月，蒙哥的中路军进至大获山，宋将杨大渊率众投降。兀良合台的南路军则不断遇到南宋军民的英勇抵抗，好不容易兵抵潭州（今长沙），蒙古军队攻城失利，士兵伤亡惨重，进展困难。东路军的进展更不顺利，塔察儿等诸王习惯于烧杀抢掠，将士任意掠夺，引起南宋军民的极大反感，一年多竟然没有攻下一座城市。当其进至郢州时，受到宋军张世杰部坚决阻击，只好退兵。
郝经提出《东师议》对于蒙哥南征，忽必烈的谋士们在开平宫中进行了议论。郝经交给忽必烈一篇《东师议》，对南下攻宋提出了不同意见。郝经是个儒生，并无作战经验，他出语惊人，立即引起了忽必烈及众人的重视，他说：我蒙古军队以往之所以能所向无敌，一是靠蒙古铁骑披坚执锐，二是靠出奇致胜。所谓“奇”，即能出其不意，攻其不备。而这次蒙哥汗亲征四川，一来铁骑在水乡不能展其所长，二来六师雷动，实际上是舍奇而用正。郝经重点分析了蒙哥汗舍奇用正的弊病：四川一带，限以大山深谷，扼以重险荐阻，迂以危途缭径。我方乘险以用奇则难，敌方因险以用奇则易。况且双方力量悬殊，我方的战略意图明显暴露。敌方坚壁清野以待之，我无掳掠以为资，无俘获以备役。以有限之力，冒无限之险，虽有奇谋秘略，无所用之。最后完全丧失主动，兵势滞遏难前。其结果必然是再衰三竭。强弩之末，势不能穿鲁缟也。故而他认为，征宋战争，失败在所难免。
蒙哥之死元宪宗八年（1258）秋，蒙哥命忽必烈代塔察儿总领东路军，继续进攻鄂州。十一月，忽必烈自开平启行。十二月，蒙哥攻取四川大良坪。第二年二月，蒙哥进迫合州城下，西路军连下成都、龙门、剑阁、阆州、巴州、长宁、大良等大小城市10余座，可以说是战果辉煌。可眼看夏天就要到了，蒙军不怕寒冷，却难耐暑热。是继续前进，还是撤师北还，是当时蒙哥西路军面临的一个关键问题。于是蒙哥在重贵山大帐里召开了一次军事会议，商讨对策。一种意见认为应该乘夏季酷热到来之前，迅速北还。至于占领的城池，则可以委派官吏治之。今后如何进军，等回到和林再从长计议。长驻军四川的汪氏将领认为不如取道关中，直临江汉。几位老将主张沿江东下，这样可以很快脱离四川险地。但蒙哥汗没有听取他们的建议，于这年二月率军进迫钓鱼城下，被众志成城的10万宋朝军民阻止在钓鱼山下，战争进入胶着状态。这时由于天气已经相当炎热，蒙古军水土不服，疾疫流行，不久又出现了霍乱，人心惶惶，士气低落。六月，南宋四川制置副使吕文德，率军支援合州，打败蒙古的涪州守军，进入重庆，并增援钓鱼城。蒙哥集中两万水陆大军，由大将史天泽指挥，拦击增援钓鱼城的吕文德军。元宪宗九年（1259）七月二十一日清晨，蒙哥汗亲率蒙军主力进攻钓鱼城，为炮石所伤，不久死于军中。