至元十年（1273年），元军攻陷襄樊后，右丞相伯颜率水陆大军沿长江顺流东下，势如破竹。伯颜鉴于四川、湖南、江陵（今属湖北）等地未下，为保障后方安全，命右丞阿里海牙领兵四万镇守鄂州。伯颜自率十余万大军，令降将吕文焕为先锋，以战抚兼施之策，沿江东进。
至元十二年（1275年），元军攻打建康，宋朝建康留守赵潽弃城而逃，都统司都统制徐王荣等开城请降，元军兵不血刃，占领建康。元军进占建康后，伯颜派兵进攻建康周围的重要城镇，随即攻陷镇江，控制了江东地区，建立起稳固的南进基地。与此同时，为防止两淮宋军南下救援，忽必烈命阿术率军渡江，进围扬州。阿术在扬州东南的瓜洲修造楼橹，缮制战具；又在扬州城外围树栅，修筑坚固的堡垒长围，截断了宋军增援部队；又派水师堵截江面，控制了长江天险，断绝了宋军渡江南救临安的通道。南宋朝廷立国，是以长江为防线，两淮为藩篱，“重兵皆驻扬州，临安倚之为重”。
元军占领建康，进围扬州，攻占两淮，南宋都城临安完全失去了屏障。元军在建康休整后，兵精粮足，战斗力更加强盛，随时准备攻取临安，处在进攻的有利地位。在元军大兵压境的形势下，南宋朝廷内部矛盾重重，主战、主和举棋不定。虽然朝廷屡次诏令各地宋军入卫临安，终因元军全面进攻，荆湖、川陕战场宋军自顾不暇，两淮宋军被元军阻隔无法渡江赴援，只有郢州（今湖北钟祥县）张世杰、江西文天祥等将帅和两浙、福建部分厢禁兵到达临安守卫。但这些小规模增援根本无法扭转整个战争局面。1275年5月，宋廷命主战派张世杰率军出击元军外围防线，没能打通。6月，淮东制置使李庭芝命姜才等打通援救扬州的通道，两军在扬子桥激战，宋军死伤万余人，姜才只带数骑逃回扬州。
为确保临安，宋廷组织焦山之战。张世杰约殿前都指挥使张彦率兵出镇江，以图控制长江南岸；扬州李庭芝出兵瓜洲，从江北配合；自己率水师陈兵镇江以东的焦山江面，约定三路俱进，与元军决战。但扬州宋军没有按时赶到，镇江张彦拒不发兵，使张世杰孤军深入。元将阿术、阿塔海、张弘范等在石公山居高临下指挥战斗，命万户刘深沿长江北岸绕至宋军背后，董文炳、刘国杰从焦山左右两边进击，万户忽剌直冲宋军大阵。元军乘风放火箭，宋船纷纷起火，阵势顿时大乱，宋师全军覆没，损失战舰七百余艘。焦山之败，宋朝军队损失殆尽，朝廷或主议和，或主南逃，分崩离析，一筹莫展，南宋灭亡指日可待了。
7月，张世杰与平江都统刘师勇、知泰州孙虎臣率战舰万艘，以十舟为一舫，连以铁索，碇于江中，横列焦山江面，欲与元军决战，被阿术以水陆协同进击，配以火攻击败，损失惨重。忽必烈最后下定灭宋决心，命伯颜率领元军直逼临安。伯颜受命后，召集攻宋将帅部署方略，确定了“分诸军为三道，会于临安”的作战部署。这年11月，伯颜分兵三路会攻临安，西路由参政阿剌罕，四万户总管奥鲁赤率领蒙古骑兵出建康，向溧阳、独松关（今浙江安吉县东南）进军；东路由参政董文炳、万户张弘范、都统范文虎率水师沿江入海，向海盐、澉浦（今浙江海盐县南）进军；中路伯颜带领诸军，率水陆两军出镇江，向常州、平江（今江苏苏州市）进军。
西路军主帅阿剌罕率军南下，直趋溧阳，遭到南宋守军的抵抗，结果宋军损兵折将，残部南撤。元军乘胜追击，在溧阳西南银林东坝再次打败宋军。元军在追击途中受到南宋援军的阻击，双方展开激战，后来元军派蒙古骑兵冲杀，宋军抵挡不住，突围南逃。溧阳之战，宋军损失将校七十余人，士卒近二万人，伤亡惨重。西路军于十一月下旬逼近建康通往临安的要隘独松关（今浙江安吉县东南），南宋守将张濡率兵北上阻击元军，与元军骑兵交战。宋军虽是精兵强将，但只有数千人，而且都是步兵，虽然奋勇冲杀，但却难以阻挡强大的蒙古骑兵，终于被击溃，主将张濡被杀，士兵死伤两千余人。元军控制了临安的北大门。
中路军伯颜率兵进攻常州。常州是拱卫临安的前阵，是元军整个攻取临安计划的关键。伯颜派兵击溃宋增援部队后，亲自指挥攻城。元军在城南筑高台，把炮放在台上向城内猛轰，又用火箭射入城中，常州城内一片火海。伯颜命元军架云梯、绳桥攻城，元军攻入城内。常州守将姚岩率将士浴血奋战，终因寡不敌众，没有外援而失败。姚岩、王安节等阵亡，僧人万安、莫谦之长老率僧兵赴援，五百名僧兵全部战死。伯颜下令屠城，只有七人幸免于难。常州之战是宋元战争中最悲壮的一役，影响很大。
至元十二年（1275年）冬，正当常州军民艰苦抗敌之际，宋廷派张全率两千余人由淮入援常州，文天祥也派部将尹玉率兵偕同赴援。伯颜得报后，命怀都、王良臣领兵在五牧（今江苏常州东南）阻击宋军。战争开始后，文天祥部将麻士龙与元军交战，由于张全按兵不救，麻士龙战死。在元军攻击下，张全退到五牧，文天祥部将朱华奋起抗击，挡住了元军。尹玉指挥宋军与元军决战，元军损失惨重。元将王良臣配合怀都水陆夹击宋军，宋将张全始终按兵不动，尹玉失败，溃军南逃。尹玉力战被俘，为元军所杀，所部将士大部分战死。张全见大势已去，率军逃离五牧，致使救援失败，没能解常州之围。
伯颜攻破常州后，派都元帅阇里帖木儿、万户怀都率兵攻无锡、平江。在元军大兵压境下，两地宋军投降元军。
东路水军以范文虎为先锋，顺江东进，由于长江两岸已无宋军把守，元军进军顺利。当时长江口活跃着一支由贫苦渔民组成的水军，由朱清、张瑄率领，不受宋朝管辖。元军主帅董文炳认为可以利用这支力量，便招降了这支海上武装。朱、张二人带领人马和海船随元军南下攻取临安，增强了元军的海战能力。东路军出长江口后沿海而下，十二月逼近钱塘江口，从海道包围了临安。
至元十二年（1275年）十二月，元朝三路大军进逼临安，随时准备攻占临安。至元十三年（1276年）正月，东路军董文炳一部登陆，抵达盐官县（今浙江海宁市），宋守军投降。
董文炳率东路军与中路伯颜大军会师，西路军阿剌罕也率部与中路军会师。在大军压境形势下，南宋朝廷一片混乱，丞相陈宜中请太皇太后出海避敌，张世杰、文天祥主张决死一战。宋廷既没有兵力抵抗，求和又被元军拒绝，于是奉玺书向伯颜请降。伯颜遣董文炳、吕文焕、范文虎入城安抚百姓，禁止杀掠，封闭仓库，收缴宋廷袞冕、圭璧、仪仗、图籍以及大批财宝、器物，运往大都（今北京市）。伯颜亲自入临安城安置宋廷人员，把宋帝赵显、皇太后全氏以及其他朝官、宫廷人员监护启程，浩浩荡荡北上。至此，临安被元军攻取，南宋朝廷灭亡。
伯颜攻取临安之战，是宋元鼎革之际的最后一次重大战役，至元十二年（1275年）春，元军攻占建康（今江苏南京市），到至元十三年（1276年）春，进占临安（今浙江杭州市），历时一年，中经溧阳之战、独松关之战、常州之战、五牧之战等激战，以南宋朝廷投降元朝而告结束。从战略来看，元朝采用围困逼降的策略，步步进逼，除武力进攻外，一直遣使招降。如忽必烈派礼部尚书廉希圣、工部侍郎严忠范到宋朝劝降，伯颜派张羽等人招降。在南宋朝廷举棋不定之际，伯颜屡次派人劝降，只不过是为稳住宋朝君臣。元军利用战抚并用策略，取得了整个战局的主动权。