鄂州等地相繼失守，南宋朝野震動，群臣紛紛上疏，要求賈似道親自出兵抗元。賈似道被迫無奈，隻好勉強出兵。但他畏元如虎，沒有出戰，就故伎重演，又派遣宋京使元，企圖用奉幣稱臣的辦法，再次同蒙古議和，被伯顏嚴辭拒絕。沒有辦法，賈似道隻好裝腔作勢，布置起軍隊來。他令泰州觀察使孫虎臣以精兵七萬駐在池州附近的丁家洲，令淮西製置使夏貴以戰船兩千五百艘停在長江攔阻元軍，自己則帶一部分軍隊駐在蕪湖以南的魯港。明令建立都督府，號稱雄兵百萬。表麵上威力十足，實際上宋軍內部矛盾重重。夏貴因在陽邏堡被元軍打敗，害怕別的將領打勝仗治他的罪，又擔心孫虎臣搶功，所以沒有鬥誌。而元軍乘勝而來，士氣旺盛。伯顏令元軍造大船十餘艘，船上放滿幹柴，揚言要燒宋人戰船，以威嚇宋軍，然後率軍猛攻丁家洲。阿術和孫虎臣對陣激戰，用炮火猛轟宋軍，宋軍頓時大亂。戰未多時，宋朝大將夏貴先逃，賈似道倉惶失措，急忙鳴金收兵，元軍乘勢衝殺過去，宋朝十三萬大軍頃刻潰散，主力全部瓦解。
元軍乘勝追擊，三月，攻下建康（今江蘇南京）。伯顏以行中書省駐建康，阿塔海、董文炳以行樞密院駐於鎮江，鞏固了長江防線，為元軍最後滅宋奠定了基礎。
伯顏在建康，有人告訴他宋朝大臣汪立信曾向賈似道獻過上、中、下三策，如今自殺而死。伯顏聽後，非常驚訝地說：“宋有是人，有是言哉！使果用，我安得至此。”宋朝不是沒有人才，而是以賈似道為首的統治集團太腐朽了。
伯顏率軍打響滅宋戰役以後，忽必烈一直關心戰事的發展，當他聽到前線不斷傳來捷報，心情無比激動和喜悅，仍然像往常一樣，對戰事的發展不斷做出布置和指示。但他由於未能親人宋境，不知道宋朝腐朽的速度會那麼快，以為宋朝還有一定勢力，再加上西北諸王在北邊不斷騷擾，忽必烈對伯顏進軍如此神速有些擔心，曾幾次以“士卒不習水土，遣使令緩師”，“以北邊未靖”，命令“勿輕入敵境”等。至元十二年（1275年）五月，又因為西北諸王騷擾，將伯顏從南方前線召回上都（今內蒙古正藍旗東閃電河北岸），特意商議是否繼續進攻南宋的問題。
伯顏攻宋，連連獲勝，正欲率軍直取臨安，忽接回都命令，遂打馬飛行，很快趕回上都。這時，西北諸王海都等人乘元軍攻宋之機，對忽必烈發動了新的攻勢，忽必烈有意暫時停止攻宋，令伯顏北上平定海都叛亂。伯顏向忽必烈詳細彙報了攻宋情況，並說，宋朝現在十分腐朽，正是滅宋的大好時機，建議繼續進兵，一舉滅宋。忽必烈聽了伯顏的話，對宋廷的腐朽有了新的了解，當即批準了伯顏的請求，令其領兵迅速攻克臨安，滅亡宋朝。同時，為了不讓西北諸王占到便宜，忽必烈又令右丞相安童行中書省、樞密院事，輔佐皇子那木罕率大軍北征海都。
諸事安排妥當以後，南北兩支大軍同時向對手發動了進攻。
伯顏晝夜兼程，迅速趕回建康。十一月，伯顏從建康、鎮江一線分兵三路直攻臨安。以行省參政阿剌罕等為右軍，從建康出四安攻餘杭縣西北的獨鬆關；以董文炳、張弘範等為左軍，自江陰取海道經澉浦、華亭攻入臨安；伯顏與行省右丞阿塔海為中軍，從建康出發經常州進攻臨安。一聲令下，三路大軍水陸並進，氣勢洶洶地殺向臨安。
這時，臨安城內，慌作一團。賈似道因為丁家洲戰役不戰而逃，以及鄂州城下私訂和約和扣留郝經等事暴露，群情激憤，被貶往循州，途中被押送人員鄭虎臣殺死。賈似道雖然被殺，但他把宋朝搞得混亂不堪，流毒甚廣，已經無法挽回了。朝中大小官員，聽說元軍三路來攻，紛紛離職逃走；外地守臣，也紛紛丟印棄城而去。輔佐幼帝的謝太後急得像熱鍋上的螞蟻，急忙寫了一張詔令，貼到朝堂上，全文曰：
“我國家三百年，待士大夫不薄。吾與嗣君，遭家多難，爾小大臣不能出一策以救時艱，內則畔（叛）官離次，外則委印棄城，避難偷生，尚何人為？亦何以見先帝於地下乎？天命未改，國法尚存。凡在官守者，尚書省即與轉一資，負國逃者，禦史覺察以聞。”雖然謝太後苦苦哀求，既有對未逃者晉升一級的獎賞，又有對逃者進行懲罰的恫嚇，仍然無濟於事，棄官而逃者不見其少，日見其多。
這期間，謝太後知道形勢危急，沒有辦法，隻好下了一道哀痛詔，令各地趕快起兵勤王。謝太後在這道哀痛詔裏，承認“田裏有愁歎之聲，而莫之省憂；介胄有饑寒之色，而莫之撫慰”。要求“文經武緯之臣，忠肝義膽之士”大起義兵，來挽救垂死的宋王朝，並答應將來“不吝爵賞”，重重酬報。
詔書發到各地，那些平時“食宋君之祿”的大小官員和將領連理都不理，隻想逃跑或投降元朝，去食新主子的俸祿了。隻有贛州（今江西贛州）知州文天祥和郢州守將張世傑率兵人衛臨安。文天祥是吉州廬陵（今江西吉安）人，寶祐四年（1256年）考中狀元，後被任為贛州知州。他接到謝太後勤王詔書，不顧一切，拿出家財招募一支軍隊星夜趕往臨安保衛王室，卻遭到宰相陳宜中的拒絕，派他到平江（今江蘇蘇州）去作知府，又讓他去守餘杭附近的獨鬆關，然而，還未等文天祥去上任，兩地均已失守，陳宜中隻好同意文天祥去臨安。這時，宋朝大勢已去，無可挽回。
陳宜中和謝太後沒有辦法，隻好派出使者向忽必烈搖尾乞憐，請求退兵修好，表示可以稱侄納幣，稱侄不許，可以稱侄孫，最後願意稱臣，求封為小國。然而，事到如今，再搖尾乞憐也沒有用，毫無疑問，每次都遭到了拒絕。不過，伯顏受忽必烈之命，並不拒絕宋使前來談判，他怕把宋人逼急了，宋人或戰或逃，使臨安的公私財富在戰火混亂中焚毀散失，因此，利用宋人委曲求全的心理，假意談判，緩緩進兵。
和議不成，文天祥主張讓謝太後、全太後（宋度宗後）、恭帝人海，留下自己背城一戰。陳宜中不許，但又拿不出任何辦法，後來幹脆撒手不管，逃到溫州去了。
伯顏三路大軍進展順利，至元十三年（1276年）年初會師臨安。謝、全兩太後手足無措，隻好任命文天祥為右丞相兼樞密使，派他去元營談判。文天祥到達元營，不顧伯顏的威脅利誘，始終堅持先撤軍後談判的立場。伯顏見文天祥臨危不懼，知為難得人才，遂打破元軍從不扣留使者的慣例，將其拘留營中，意欲使其投降。
文天祥被留，謝太後、全太後、宋恭帝無可奈何，隻好捧著傳國璽和降表向伯顏投降。伯顏接受降表，入臨安巡視，觀潮於浙江，而後駐於湖州。接著，伯顏在臨安設立兩浙大都督府，命忙兀台、範文虎管令大都督府事宜。又命張惠、阿剌罕、董文炳等人入城點核倉廩及軍民錢穀簿冊，收繳百官誥命官印等。又命人收取禦用器物、符璽、宮中圖籍和珍寶等。
董文炳等人入城之後，將南宋的職官全部罷免，解散了南宋的軍隊，封存南宋政府的國庫，收集了所有的禮樂器皿及圖籍等。又向翰林學士李槃提出了續寫曆史的建議。於是文官們便開始收集宋史及諸注紀多達五千餘冊，將所有的文獻資料都完好地保存起來，送到了國史院，這樣就將宋朝的大量典籍都保存了下來，為後來修撰《宋史》奠定了良好的基礎。
由於伯顏牢記著忽必烈出征前“以曹彬為榜樣，不嗜殺人”的教誨，因此入城之後便“奉揚寬大，撫戢吏民”的政策，這就致使宋朝都城內風平浪靜，形成了“宋民不知易主”，“九衢之市肆不移，一代之繁華如故”的情形。當臨安市民得知易主的消息後，感恩與蒙古帝國的額寬大政策，並沒有過多地反抗，人民很快便又安定下來。
至元十三年（1276年）三月，伯顏留下董文炳、阿刺罕等人在浙閩未下州郡進行管理，命令阿塔海等人進入宋宮，向恭帝趙瀲及兩房太後宣旨下詔，免除了他們係頸牽羊的禮節，跟隨著大軍北上。五月的時候宋恭帝等人便到達了上都，忽必烈親自召見，將原宋帝的封號廢除，重新封為瀛國公。
元軍能夠如此迅速地攻占南宋的首都臨安，最主要的原因就是忽必烈精細的戰爭策略，以及他運籌帷幄、不失時機發動進攻的結果；忽必烈本身就是一個善於用人、能夠虛心聽取別人建議的人，這樣就使忽必烈在整頓內政、發展經濟，如何確保前線物資宗族的問題上得到了更多人的幫助，這就使得忽必烈在攻打南宋的戰爭中取得了勝利。當然忽必烈改變了蒙古人入侵漢地後的政策，安撫百姓、不嗜殺人讓他得到了更多漢人的支持，再加上南宋政權本就腐朽到無可救藥的地步，所有的這一切都為忽必烈的勝利奠定了基礎。
就在伯顏進圍臨安、宋恭帝準備投降之際，宋度宗之子益王趙禾焦、衛王趙罡等從臨安出走，經婺州抵達溫州，張世傑和陸秀夫等人，後來也越城逃走，聽說二王在溫州，趕來相會，並輾轉來到福州。