猛烈的進攻從二月一直到三月。然而，經營多年的釣魚城防衛工事發揮了最大優勢。盡管蒙軍擅長攻城，攻城器具也十分精良，“專恃炮（並非後世火炮，而是投石機）為長技，以數百人拽一炮，中樓櫓立碎”（《後村先生大全集·卷一百四十一》），但在地勢險峻的釣魚城下，完全不能發揮作用，蒙軍始終徘徊在城下，無法前進半步。而遠在臨安的宋理宗也從奢侈荒淫的生活中驚醒過來，對釣魚城的戰局十分關注，采取了大規模的救援行動，任命呂文德為四川製置副使兼知重慶府，領兵入蜀，專解釣魚城之圍。這個呂文德，後麵在《戰襄陽》一篇中還要詳細提到他。
從四月初三開始，四川暴雨連綿，電閃雷鳴中，大雨一連下了二十天，蒙軍攻勢由此受阻。到了四月二十二日，天氣初晴，蒙軍立即集中精銳，偷襲城南的護國門，但未能得手。四月二十四日深夜，蒙軍繞道西北，偷攻外城，攻破城北出奇門至嘉陵江一側的“一字城”，一度登上城頭，與守城宋軍展開激烈搏鬥，殺傷多名宋軍。王堅聞訊立即率勇士力戰反擊，終於打退蒙軍，重新奪回了“一字城”。
五月，四川進入夏季，酷熱無比。蒙軍士兵耐寒不耐熱，軍中瘟疫蔓延，士氣十分低落。王堅則趁機在半夜率兵出城，偷襲蒙軍營地。蒙軍驚擾不安，日夜警惕，由於水土不服，又得不到好好休息，戰鬥力大為削弱。不少蒙軍將領勸蒙哥就此收兵，繞過釣魚城，直奔臨安。將領術速忽裏認為：頓兵堅城之下是不利的，不如留少量軍隊困擾之，而以主力沿長江水陸東下，與忽必烈等軍會師，一舉滅掉南宋。但蒙哥一生還從來沒有碰到過釣魚城這樣難啃的骨頭，他的憤怒和傲氣被釣魚城的頑強最大地激發出來，完全聽不進任何人的意見，無視天候、地理的不利條件，發誓要不惜代價奪取釣魚城。
這時候，宋軍援兵正由水路增援釣魚城，呂文德率戰船萬艘，沿長江溯江而上，於五月下旬與擔任阻截宋援兵任務的蒙將紐□在涪州相遇。呂文德采納將領曹世雄（後被賈似道迫害而死）、劉整的計謀，攻斷了紐□架設的浮橋，乘勝追擊，猛攻蒙軍部署在銅鑼峽的水上防線，一度取得了優勢。
六月初，呂文德最終衝破蒙軍的封鎖，進入重慶，隨即率艦千餘艘沿嘉陵江北上，救援釣魚城。到達三槽山西，與前來阻截的蒙軍遭遇。蒙將史天澤分軍為兩翼，跨江側射，親率舟師順流縱擊，奪宋戰船百餘艘，擊退呂文德援軍，並乘勢追至重慶。盡管增援釣魚城的宋軍為蒙軍所阻，始終未能進抵釣魚城下，但被圍攻達數月之久的釣魚城依然物資充裕。有一天，王堅命人將兩條三十斤重的鮮魚及百餘張蒸麵餅拋下城牆給蒙軍，並致信蒙哥，說“爾再攻十年，城亦不可得”，意思是即使再攻打十年，蒙軍也無法攻下釣魚城。而相比於宋軍的鬥誌高昂，釣魚城外蒙軍的狀況就相當糟糕了，軍士畏暑惡濕，多有中暑者，瘧疾、霍亂等疾病也在軍中流行。
六月初五淩晨，蒙古軍前鋒元帥汪德臣率軍乘夜色突破外城馬軍寨，王堅率兵拒戰，形勢一度對宋軍不利。不料天快要亮時，突然天降大雨，蒙軍攻勢受阻，攻城的雲梯也被宋軍用木石擊斷，最終被迫撤退。
汪德臣見釣魚城地勢險要，防禦堅固，蒙軍無法攻破，竟然為了立功，單騎來到釣魚城下，想憑借一張嘴勸降守城宋軍。據說蒙哥曾評價汪德臣“汝身雖小，膽若山大”。汪德臣單身勸降之舉不但是膽若山大，而且是異想天開。宋軍的回答非常幹脆，就是直接扔下一堆飛石。汪德臣被城上飛石擊中後不久，就死在了縉雲山寺廟中，時年三十六歲。為了掩蓋不光彩的一麵，蒙軍對外宣布汪德臣的死因為病死。
蒙哥聽到汪德臣的死訊後，十分痛心，一度扼腕歎息，更加對眼前可望而不可及的釣魚城不勝其忿。他想來想去，認為釣魚城久攻不下，是因為蒙軍一直不知道釣魚城內的真實情況到底如何，於是下令蒙軍在新東門外築一高台，打算窺探城內虛實，以便決戰。王堅得知蒙軍在城外築台後，料到蒙哥好勝，必定會親自登台窺探城內虛實，於是暗中命人做好了準備。
七月，蒙軍高台築成。七月二十一日，果然如王堅所預料的那樣，蒙哥親自登上高台，想看看這座令自己費神不已的釣魚城到底有何能耐。不料剛上高台，早有準備的宋軍炮石齊發，蒙哥當場中飛石受傷。七月二十七日，蒙哥不治身亡，死前怒火未息，留下遺言說：“日後攻下釣魚城，當盡屠城中之民。”他至死還是不能對敗在釣魚城之下釋懷，由此也可見釣魚城之戰當時酷烈到何等程度。這一史實就是金庸先生名著《神雕俠侶》中神雕大俠楊過飛石擊斃蒙哥大汗的故事原型。
與之前的汪德臣之死一樣，為了掩飾這一極不光彩的敗局，蒙古官方說法為蒙哥染病而死。即使蒙軍不願意承認，但根據《元史》本傳及元人文集中的碑傳、行狀等所載，不少隨蒙哥汗出征的將領均戰死於釣魚城下，蒙軍損失之慘重由此一目了然。
蒙哥一死，蒙軍無主，不得不北還回蒙古老家，釣魚城之圍由此而解。釣魚城之戰是蒙古軍南下攻宋以來遭受的最嚴重的挫折，尤其是這一勝利戲劇般地扭轉了整個局勢，蒙古大舉攻宋之役因蒙哥喪生釣魚城下而告終。誰都沒有想到，在各路蒙軍節節勝利的情況下，南宋已經危在旦夕，甚至已經有大臣向宋理宗提議遷都四明（今浙江寧波），曆史卻意外地因為這場釣魚城保衛戰而改寫了。
就在蒙哥主力大軍徘徊在釣魚城下之時，其他各路蒙軍均進展順利。蒙哥死時，其弟忽必烈正在搶渡淮河，渡河之後，立即進兵鄂州。鄂州地處長江中遊要衝，為南宋軍事重鎮，之前由於四川形勢岌岌可危，鄂州大部分宋軍已經前去增援四川，防衛空虛，隻有都統權州事張勝主事。忽必烈認為機不可失，決意要盡快攻下鄂州，直逼臨安。就當他率領大軍到達長江北岸黃陂（今湖北黃陂北）時，宗王末哥派人從合州趕來，告知蒙哥意外身死的消息，並勸忽必烈立即北返繼承汗位。但此次蒙古軍南下之前，忽必烈因為大力延攬漢族儒士、推行漢化政策，被蒙哥猜忌，剝奪了兵權，剛好諸王塔察兒攻東線無功受責，才改由忽必烈替代。忽必烈知道鄂州空虛，認為指日可下，因此不願意功虧一簣，決定繼續進兵。他派董文炳為先鋒，突破宋軍的水上防線，自己親率主力由陽邏堡渡江，駐營於黃州白鹿磯，遣人勸降無效後，開始圍攻鄂州。宋理宗急忙派大批人馬趕赴鄂州增援，宋名將高達率先突破了蒙軍的包圍圈，闖進鄂州城，與鄂州守將張勝合兵，並力拒守。
忽必烈在圍攻鄂州同時，另外分出兩路兵馬，一路前往湖南，準備與自雲南北上的兀良合台軍會合，另一路由大將鄭鼎率領，負責襲擾江西。鄭鼎軍長驅直入江西，直奔隆興（今江西南昌）。宋江西宣撫策應大使趙葵急忙從信州（今江西上饒）退保隆興。蒙軍溯贛江而上，攻臨江軍（今江西清江）知臨江軍陳元桂登城督戰，力竭不能敵，被俘後遇害。宋瑞州（今江西高安）知州陳世昌棄城而遁，蒙軍直入瑞州，又擾興國、南康（今江西星子）、撫州等州縣，江西大震。因為江西地僻兵稀，頗有無力解脫南宋京師臨安威脅之虞，宋廷震恐，一時遷都之議驟起。內侍董宋臣勸說宋理宗遷都四明（今浙江寧波）以避戰火，左丞相兼樞密使吳潛也表示讚成，並自願留守臨安。軍器監何子舉、監察禦史朱貔孫等上疏反對，諫言遷都將引起“三邊”將士瓦解，盜賊蜂起。皇後謝道清也請留駐臨安以安人心。宋理宗擔心吳潛仿效張邦昌故伎，遷都之議遂止。