蒙军兵分三路，向大理国发动猛烈进攻。忽必烈亲自率领中路军，渡过大渡河，疾行两千多里，到达金沙江。金沙江水流湍急，蒙军没有船只，无法渡江。
忽必烈招抚了当地酋长，向他们问计。酋长说，可以用革囊渡江。革囊是用牛羊皮制作的气囊，在水中有浮力，可以载人。忽必烈大喜，命人准备了大批革囊，使蒙军得以顺利过江。这就是历史上有名的“元跨革囊”。
蒙军渡过金沙江，直扑都城大理。大理城在南诏国的时候就是都城，已经有五百多年的历史，城高墙厚，十分坚固。大理皇帝段兴智依仗城坚，拒不投降，甚至杀害了忽必烈派来招降的使者。忽必烈大怒，下令攻城。大理城果然坚固，蒙军连攻多日，不能攻克。
忽必烈见大理城依苍山而建，心生一计，他挑选了一批勇士，组成敢死队，准备翻越苍山，从山上向城内进攻。苍山是大理山峰之一，到处是悬崖峭壁，十分险峻，敢死队有一半人摔死在悬崖之下，剩下的勇士从山顶直冲而下，突入城中。城中守军见蒙军从天而降，惊慌失措，失去斗志，大理城终于被攻破。皇帝段兴智侥幸逃脱，跑到了昆明。
攻破大理以后，蒙军将士们纷纷要求屠城，为被杀的使者和阵亡的将士报仇。姚枢、张文谦等人力谏不可，忽必烈采纳了，下达了止杀令，使大理百姓免于屠杀。
在中路军大胜、攻克大理城的同时，东西两路蒙军也进展顺利，很快占领了大理国大部分地区。
公元1254年，蒙军集中兵力，猛攻段兴智所在的昆明城。守军殊死抵抗，坚持了七天，终因寡不敌众，城池陷落，段兴智被俘，大理国从此灭亡。
忽必烈攻灭大理国以后，留下大将兀良合台镇守，并追剿残敌，自己率主力班师返回。段兴智被俘后受到优待，蒙古赐他金符，让他协助管理大理各部。
蒙哥攻占并统治了大理国，完成了他攻占西南、合围宋朝作战计划的第一步，形成了攻击南宋的有利态势，下一步，他就要对南宋政权下手了，南宋面临着巨大危机。