這個時代，吐蕃正處在四分五裂的狀態，忽必烈軍經過吐蕃東部（今四川甘孜藏族自治州）時，藏族人民的生產和生活都受到極大危害。忽必烈進軍其地，攻下許多城寨，穿過了雪山，分裂割據的吐蕃封建主們都不得不陸續投降強有力的蒙古統治者，使這個地區統一到蒙古的統治之下。事實上，元朝有些史料確實是把它與征服大理相提並論的。可惜因為在吐蕃境內的征戰留下的記載絕無僅有，後人無法了解這個重大事件的詳細過程。
1253年初冬，兀良合台西道軍和忽必烈中道軍穿過吐蕃，進入大理，在金沙江分別降服了大理北麵四百餘裏的麽些蠻各部，麽些諸部酋長唆火脫因、塔裏馬、麥良等向蒙軍投降，但也有一些麽些部落堅持抗戰。忽必烈從這裏遣使到大理招降，但使臣為大理國所殺。忽必烈與兀良合台又分軍繼續前進，攻下了大理國西部白蠻諸寨柵。許多白蠻部落都十分頑強地抵抗入侵之敵，直到寨柵被攻破。當忽必烈軍包圍了大理城時，西道兀良合台軍亦至，取大理北部的龍首關，同攻大理城。大理國王段興智與權臣高祥、高和兄弟背城出戰，大敗，忽必烈招之不降，他們棄城逃跑，大理城陷。忽必烈因其殺使，本欲屠城，幸虧漢人參謀張文謙等勸止，即命姚樞裂帛為旗，寫上止殺的命令，傳示於城內各街巷，大理人民始得免遭屠殺。忽必烈還命姚樞等搜訪大理國圖籍。東道兵這時也到達大理與大軍會合，又從大理分軍追擊高氏兄弟，獲之，斬於姚州（今雲南姚安）。
1254年春，忽必烈留下兀良合台率軍戍守大理，並繼續征服大理境內未附諸部，又任命劉是中為宣撫使，然後率軍北還，複經吐蕃境，回到關中。1254年秋，兀良合台領兵繼續向東進取段興智據守的押赤（今雲南昆明）。蒙古軍以精銳部隊攻城，發炮摧毀城門，並縱火攻之，用盡各種辦法仍然沒有打下。押赤軍民堅持了七天的抗戰，終因力竭，城陷。段興智逃至昆澤，被俘。1255年，兀良 合台遣送段興智與其季父去蒙古見蒙哥汗。蒙哥用懷柔政策，不殺，並賜金符使歸國，協同蒙古所委官員、將領安撫繼續征服未附諸部。段興智歸國後，又獻地圖，統率本族軍隊幫助蒙古征服國中堅持抗戰的各部落。蒙哥重新賜以“摩訶羅嵯”的稱號，命其管理雲南各族。
國王雖然投降，但大理各族人民仍然依阻山穀，堅守城寨，進行抗戰。
1255年，兀良合台在攻下押赤府諸城後，命其子阿術領兵進取赤禿哥（今貴州西部）、羅羅斯（今四川涼山地區）等地。經過近兩年的戰爭，蒙古才陸續征服了大理五城、八府、四郡之地和大部分烏蠻、白蠻部落。兀良合台在大理境內設置十九萬戶府，萬戶下分設千戶、百戶分管其地。1256年，蒙哥命兀良合台取道北上，與四川蒙古軍會合。兀良合台遂領兵出烏蒙（今雲南昭通），破禿剌蠻三城（今四川筠連一帶），抵馬湖江（今四川宜賓西南），敗宋兵，進至合州（今四川合川），會師後還鎮大理。1258年蒙哥大舉攻宋，複命兀良合台率軍北上，定於次年正月會師長沙，實施其從雲南包抄南宋的原定計劃。
大理人民的頑強抵抗，使蒙古軍遭到很大損失。《史集》記載說，忽必烈與兀良合台率十萬大軍征雲南，因為該地氣候潮濕惡劣，軍中疾病流行，加上大理國“居民極多、軍隊眾多，因而每至一處，都遇到抵抗。因為這兩個原因，十萬軍隊得生還者不到二萬人”。蒙古用武力征服了大理，並通過征服，又統一了大理各部。後來又按照內地製度設置郡縣，使雲南統一於元朝中央政府管轄之下，並在大理進行屯田，推廣先進的漢族生產技術和文化。
名家回眸
忽必烈平定大理這一戰役，對於忽必烈來說是非常重要的一次戰爭，這次戰爭使忽必烈取得了極高的軍事聲譽，為他成功地奪取汗位奠定了基礎。忽必烈第一次軍事遠征取得的全麵勝利，用事實向蒙古親貴們展現了自己的軍事能力。這次征戰在曆史上也具有重大的意義。雲南自8世紀中葉南詔割據以來，曆經五百餘年的曆史，至此才真正與祖國內地複歸於統一。這對我國多民族統一國家的發展，對雲南地區經濟、文化的進步，都有著重要的積極意義。