自蒙古軍攻入四川後，蜀地殘破不堪，宋朝將吏各專號令，猶如一盤散沙。餘玠任四川安撫處置使後，整頓吏治，輕徭薄稅，大刀闊斧地采取了一係列政治、經濟和軍事措施，並設“招賢館”，在民間廣泛征求防守四川的建策，集思廣益。播州（今貴州遵義）人冉璡、冉璞兄弟（同父異母）向餘玠獻上“擇險、任人、積粟、駐兵、徙城”之策，並提出“守蜀之計在於守合州，守合州之計在於守釣魚城”，建議在合州據釣魚山之天險築城。
根據《四川誌》（明正德）記載，“招賢館，在治（重慶府）左（今重慶巴縣東），宋餘玠建。其供帳一如帥府，下令：‘欲有謀以告我者，近則徑詣公府，遠則自言於郡縣，以禮遣之。’士之至者，玠不厭禮接，鹹得其歡心。言有可用，隨才而任；苟不可用，亦厚謝之”。
之前任四川製置副使的彭大雅修築重慶城時，已經意識到釣魚山的天險之利，曾派部將甘閏在釣魚山築寨，作為合州官民避亂的場所，這是釣魚城修建之始。餘玠經過實地考察後，采納了冉氏兄弟的建議，並委派二人負責再築釣魚城。修建完畢的釣魚城分內、外兩城，外城築在懸崖峭壁之上，城牆完全是條石壘成，堅固異常，易守難攻。釣魚城周圍的山麓有許多田地，城內也有大片可耕之地。這樣，即使城池從外被長期圍困，從內也能自給自足，長期堅守。釣魚城作為一座城堅、糧豐、兵足，可耕可戰、利於長期堅守的牢固堡壘，在日後有效地擔負了重慶屏障和四川防禦支撐點的重大責任。
釣魚城築成後，餘玠將合州治及興元都統司均搬到釣魚城內，釣魚城成為了“巴蜀要津”。不久後，餘玠又下令冉氏兄弟以釣魚城為樣本，在四川的主要江河（長江、岷江、沱江、嘉陵江、渠江、涪江）沿岸及交通要道上選擇地形險要之地築城。八年間，陸續修築大獲（今四川蒼溪南）、青居（今四川南充南）、雲頂（今四川金堂南）、神臂（今四川合江西北）、天生（今四川萬縣西）等十餘座城堡。其中，大獲城扼製自陝入蜀孔道，為最要害之地；青居城、釣魚城、雲頂城則保障嘉陵江、長江水路暢通，均駐有重兵把守，成為宋軍在四川屯兵積糧的要塞；其餘各城則作為為諸州治所。
這樣，十餘座山城星羅棋布，以釣魚城為核心堡壘，互為犄角，“如臂使指，氣勢連絡”，形成了一組完整而嚴密的立體防禦網。這就是餘玠所創建的著名的山城防禦體係，是他一生中最大的功績，也是他為國家和民族貢獻出的寶貴財富。山城防禦體係改變了以往單一的城市防守策略，采用點線分布，有效地利用了天然的山形地勢，從而遏製了蒙古騎兵行動迅速的優勢，後來在抗蒙戰爭中發揮了極為關鍵的作用。釣魚城更是由此成為中國曆史上的著名要塞——在這個地方，宋軍進行了長達三十六年的抗蒙保衛戰，創造了中外戰爭史上罕見的以弱勝強的奇跡，成為獨立支撐四川戰局甚至影響中原局勢的一把尖刀。
餘玠之後，四川宣撫司參議張夢發曾向上書建三策：築堡封鎖漢江口岸；在湖北當陽玉泉山築堡；在峽州（今湖北宜昌）建築堡壘群，以聚結流民，一邊守衛，一邊耕種。其實這三策采用的就是餘玠山城防禦體係中的堡壘防守戰術。張夢發為此還畫了詳細的形勢圖，卻被權臣賈似道壓住不發。
餘玠受命於四川危亡之際，自他入主四川後，與蒙古軍大小三十六戰，戰果極為顯著。淳祐六年（1246年）春，蒙軍大將塔塔歹貼赤分兵四路入侵四川，餘玠率軍抗戰，以新築之山城為屏障，重創蒙古軍。淳祐十二年（1252年）十月，蒙軍分道入蜀，發動了自淳祐六年四道入蜀以來最大的攻勢。蒙鞏昌便宜總帥汪德臣（其父汪世顯原國金國大臣，據守鞏昌，號稱“秦鞏之豪”，勢力強大，曾多次向當時的宋四川製置使趙彥呐表示願意歸附，但沒有成行）率軍取金牛道掠成都後，進抵嘉定；蒙河東道行軍萬戶李彀也奉命襲取嘉定（今四川樂山，地處岷江、大渡河、青衣江交彙處，四向通達，地理位置十分重要）；駐守漢中的蒙軍則越米倉山南下，進行牽製，全川因之震動。餘玠調集蜀中精銳部隊，利用嘉定及周圍城堡恃險拒守。餘玠親率嘉定守將俞興及各路援軍夜襲敵營，最後伺機出戰，終於粉碎了蒙軍對嘉定的圍攻。蒙軍撤退途中，又遭到餘玠組織的沿途軍民的狙擊，一路步履艱難，退出四川。
自餘玠入主四川後，四川軍事、政治、經濟形勢均大有好轉。他自己也極為自信，繪成“經理西蜀圖”送給宋理宗，說是十年之內“當手攜西蜀之地（指蒙古軍侵占諸州），以還朝廷”。因抗蒙治蜀有功，餘玠當年晉升為兵部尚書，仍駐四川。此時，朝中也是抗戰派執掌軍政權，名將趙葵出任右丞相兼樞密使。本已經氣息奄奄的南宋王朝，出現了振作的氣象。
然而，正當餘玠積極部署抗蒙、準備收複蒙軍所占領的蜀地時，朝中的主和派官員卻在大搞陰謀，權臣謝方叔（時任左丞相兼樞密使）大力排斥主戰的右相兼樞密使趙葵，攻擊趙葵不是科舉出身，以所謂“宰相須用讀書人”為由，大加排斥，趙葵因此被罷官。而餘玠在蜀中威名遠播，軍功赫赫，也為謝方叔所嫉恨，剛好這時候出了姚世安抗命事件，被謝方叔所利用。
姚世安原是利戎司（負責駐守成都府治所在地雲頂山城的宋軍部隊）統製。當時的利戎司都統為王夔，外號“王夜叉”，桀驁不馴，強悍殘暴。淳祐元年（1241年），蒙軍攻破成都，抓住了四川製置使陳隆之全家數百口，並將陳隆之等人作為人質，要挾守衛漢州的王夔投降。陳隆之大聲告誡王夔決不能投降，於是全家人被蒙軍殘酷地殺死在城下。王夔固城自守，並以火牛陣突破包圍，大敗蒙軍，此戰扭轉了局勢，也成為王夔居功自傲的資本。而餘玠入蜀後，積極整飭積弊，申明賞罰。王夔不但不聽餘玠節製，還放縱部下四處劫掠蜀民，將一些有錢人抓去後嚴刑拷打，以索取錢財，以至怨聲載道。餘玠胸懷大誌，自然不能容忍王夔如此恣意妄為，於是借口召王夔議事，將其斬首示眾。
利戎司統製姚世安窺視都統官職，慫恿利戎司保薦自己為都統。餘玠本來就有意要將王夔部下整編，此時最忌諱軍中舉代，因此沒有同意，又另派人任都統一職。餘玠也料到姚世安不會輕易交出兵權，特意派三千人馬到雲頂山城（成都府治所在地）下，保征接替工作順利進行。姚世安則公然對抗，揚言餘玠有意圖謀害自己，閉關不納不說，還如臨大敵，下令部下嚴陣以待。餘玠派出的新都統連城都進不去，自然也無法新官上任，隻好帶著三千人馬無功而返。
姚世安為人陰險，他料到餘玠不會善罷甘休，便著意與當時正在雲頂山城避難的權臣謝方叔的子侄結納，想走謝方叔的路子來製衡餘玠。謝方叔正嫉恨餘玠，自然不會錯過機會。當時四川在餘玠的苦心經營下，軍力、財力、民力均已經複蘇，不需要再由南宋朝廷調兵、運餉支援。也就是說，總理四川軍、財、政大權的餘玠已經完全可以不再受朝廷掣肘。反倒正是這一點，加上餘玠喜歡個人便宜行事的個性，讓朝廷對他頗有疑忌，也由此給了不懷好意的謝方叔以可乘之機。謝方叔一麵假意調停餘玠與姚世安的關係，一麵造謠中傷餘玠，誣陷他掌握大權，卻不知事君之禮。宋理宗對餘玠在蜀中的威名也心存疑懼，甚至懷疑餘玠有自立為王的可能，聽信了讒言，於寶祐元年（1253年）五月命臨安府尹餘晦代替餘玠，同時召餘玠回朝，表麵授為資政殿學士，其實是一閑職。