1258年4月，蒙哥发动了对南宋的全面进攻。
蒙古军主力的进攻重点是四川。为配合主力军行动，他命令兀良合台从广西进入宋境，攻打潭州、鄂州，进攻宋荆湖防线；塔察儿继续攻打襄阳、樊城，进攻宋襄樊两淮防线。他和兀良合台、塔察儿约定，三路大军在新年到来的时候，一起到临安摆酒庆贺过大年。
出征前，他特地用他的马群产的马奶祭拜长生天，又到成吉思汗陵举行了祭奠仪式。仪式结束后，他像往常一样，把文武百官都撵出去，一个人跪在成吉思汗的灵位前，和他说心里话。
“圣主爷爷，从明天开始，孙儿就将率领大军出征南家思，把南方这一块美丽的土地划进咱蒙古的版图。在帝国向南扩展的这条线上，圣主爷爷、阿瓦以及孙儿，咱祖孙三代就像在举行接力赛马，圣主爷爷您统一了蒙古，获得唐兀惕，阿瓦获得金国，孙儿必须把这一棒接过来，必须要有收获。而取回南家思，正是爷爷您交给孙儿的重要任务啊，孙儿也得漂漂亮亮地完成它！
“圣主爷爷，孙儿知道，您在世的时候，就把这个任务交给孙儿了。您已经等待了很久，孙儿不会再让您等下去了。孙儿向您保证，一定不辜负您的期望，请您一定要保佑孙儿旗开得胜，马到成功！”
他把朝政交给阿里不哥和玉龙答失，让也速儿随行。
蒙哥率4万大军自哈拉和林出发，渡过黄河，来到六盘山。在这里，他稍事休整，便兵分三路南下：左路由他的异母兄弟末哥率领，从洋州沿米仓道越巴山入川；右路由万户孛里叉率领，由渔关入沔州；蒙哥自率中路军通过大散关沿嘉陵江南下，至利州，和汪德臣川北蒙古军会合。同时，蒙哥还命令阿答赤和纽璘率领驻扎在成都的蒙古军，策应南下的蒙古主力军的行动。
蒙哥这次行动的目的，是要一举把整个四川扫平，所以，他除了在军事上进行了充分的部署外，在思想上也做了高度的统一。他要求军队在行动上要有严格的纪律，不准随意抢劫财物，不准破坏沿途庄稼房屋，要把当地老百姓当成自己的子民来对待，让老百姓亲近蒙古军。攻下宋城后，不能随意屠城，对宋降将要给予优待，继续封官任用。
蒙哥战略的重点，是要把余玠留在四川的“川中八柱”全部推倒，把这八颗钉子一颗一颗拔起来。当然其中有一些已经被蒙古军拿下，比如云顶山城，就被成都的蒙古军和阿答赤、纽璘一起收入囊中；有一些被蒙古军数次拿下，又数次落入宋军手里，比如苦竹隘；有一些蒙古军曾围攻多次，却拿它毫无办法，比如运山城、钓鱼城等。
鉴于蒙古骑兵长于野战，不善攻打山城的特点，蒙哥要求蒙古军要努力把山城中的守军调出来，在野外展开厮杀，要用宋军分化宋军，力争不攻自破。
接到蒙哥命令后，阿答赤率先带领纽璘、汉军将领刘黑马以及云顶山城的宋降将姚世安，水陆并进，向叙州进攻。叙州守将是曾被兀良合台打败过的张实。那一次，兀良合台由于长途跋涉，军队疲惫不堪，虽然打败了张实，却并没有拿下叙州。这一次，阿答赤了解到姚世安的部将张威和张实是旧好，便让张威去诱捕张实。张威派一个人悄悄给张实带去一封信，说自己是被逼投降的，这一次想重新反正，希望见张实一面。张实果然相信，约定在一个隐蔽的地方见面，商谈里应外合打败蒙古军之计。谁知张实一到，张威便指挥埋伏在四周的蒙古兵把他抓获，并一举攻破叙州城。张实就这么糊里糊涂地成了俘虏。虽然愤恨不已，但身不由己，只得投降。
蒙哥接到捷报后大喜，出大散关，在利州与汪德臣会合后，立刻向他要拔除的第一颗钉子——苦竹隘挺进。
不过，蒙哥还有一点儿担心荆湖战场及襄樊战场。襄樊战场已有塔察儿在那里，塔察儿虽然不济，但让他拖住襄樊宋军还是办得到的。荆湖战场，他让兀良合台从广西进入，攻潭州、鄂州，这一条路，兀良合台能不能走顺，他不得而知。所以，他必须防备荆湖的宋军顺江北上进入四川，给自己扫清四川的行动增添阻碍。在得到阿答赤的喜报后，他让阿答赤把军队分成两部分，一部分由阿答赤率领，配合自己进攻苦竹隘，一部分由纽璘率领，顺江而下，绕过重庆，到达涪州附近的长江上造浮桥，派兵驻扎在浮桥两边，阻挡东来的宋军。
在苦竹隘，蒙哥采用攻打叙州的策略，派张实进苦竹隘劝降。
张实表面上满口答应，实则心里的那口气还没有消。他是被小人诱骗投降的，这一次他也要用小人的计策对付蒙古军。他一进苦竹隘，就立刻反正，和苦竹隘的守军杨立一起坚守，共同对付蒙古军。
张实的反正让蒙哥大为生气，这是他改变作战策略以来第一次对敌军采用怀柔政策，没想到竟遭到张实的这般羞辱！他气恨不已，决定武力攻打苦竹隘。
苦竹隘兀立在一个高峰之上，西、北、东三面都是悬崖峭壁，深达千尺，别说人，就是猿猴也别想攀上去。仅南边有一条窄窄的路，一个人侧着身子勉强可以上去，而南边又有当年余玠修建的牢固的防御工事，要想攻破，简直比登天还难。
蒙哥率领大军在南边门前连攻数天，死伤无数，愣是无法前进一步。
蒙哥忧虑不已，这是自己入川以来打的第一仗，也是自己想要拔掉的川中第一颗钉子，如果一直拿不下来，会多么丢脸。本想把杨立、张实从山城里引诱下来野战，无奈张实再不上当。没有办法，唯有加力猛攻。
这时候，有个人向蒙哥献上一条妙计。这个人叫史枢，他是史天泽的侄儿，也是一名汉军将领。他说他发现北边的悬崖上有一些藤蔓，如果选几个攀岩高手，顺着藤蔓爬上去，就可以偷偷溜上山顶。
蒙哥很高兴，晚上的时候，他亲自擂响战鼓，组织大军在南边城门前一通猛攻，造成要强攻城门的态势，史枢则率领几十个身手矫健的精兵，在不知不觉中，费尽千辛万苦攀上山顶。
正在城门前与蒙古军大战的宋将领赵仲武一听蒙古军的喊杀声从背后传来，以为山顶已全被占领，也不辨虚实，立刻开城投降。蒙古军蜂拥而上，苦竹隘沦陷，张实和杨立被俘虏。
按照蒙哥的脾气，他是要屠城的。尤其是张实降而复反，已经激起了他心中的怒火，但是，为了整个图谋南宋的大计，他硬生生压住了心中的火气，除对以杨立为首的40个最卖力抵抗的宋兵予以斩首，对反复无常的张实五马分尸外，其余的都放了。
这样的怀柔策略，对以后在四川的攻击，产生了深远的影响。
拿下苦竹隘后，蒙哥顺势进攻长宁山城。这也是当初余玠修建的，进可顺山势而下，退可屯兵于长宁山上的鹅顶堡。长宁山城守军王佐、徐昕率兵抵抗，很快被蒙哥打败，便退守鹅顶堡，想依靠鹅顶堡有利的地形殊死抵抗。蒙哥率军来到鹅顶堡前，在望喜门外猛攻两天两夜也没有拿下，反而是自己损伤惨重。不过，虽然王佐不屈不挠，拼死抵抗，可长宁山城的知县王仲却吓坏了，为了保住自己的小命，他对众人说：“这一次蒙古合罕南征，不像往常，只要不抵抗，就不会遭受屠城。我身为知县，无法抵抗蒙古人的攻击，要保护全城百姓的生命安全，我们还是投降吧！”第三天黄昏，他率众出城投降，只留下王佐、徐昕等人孤军苦守鹅顶堡。
当晚，蒙哥攻破鹅顶堡，王佐在与蒙古军的拼杀中身负重伤，为了不当俘虏毅然自杀殉国。徐昕、王佐的妻子和儿子等46人被蒙古军俘获。
蒙哥劝徐昕投降，徐昕大骂蒙哥，被割舌处死。蒙哥又让王仲劝说王佐妻子张氏投降。张氏紧紧搂住儿子，大义凛然地说：“我丈夫为朝廷尽忠，为国家捐躯，我为他感到骄傲。现在他已经堂堂正正不屈而死，我怎能独自苟活？倒是那些出卖国家的汉贼，猪狗一样地活着，我不知道他还有什么脸面站起来说话？”
王仲羞愧地埋下头，不敢再说。结果这46个人，无一投降，全部英勇就义。
拿下长宁山城后，蒙古顺嘉陵江东下，进攻“川中八柱”的第二柱——大获城。大获的守将是杨大渊，蒙哥命刚投降过来的王仲到山城里招降。王仲本不想去，但合罕命令，他又不敢不从。
王仲到大获城后，大获守将杨大渊一见他，气就不打一处出，把他臭骂了一通：“王仲，你还有脸来？你身为宋臣，受皇上厚恩，你不思感恩报国，竟然充当汉贼，把长宁山城出卖给鞑子以保你小命！由于你的变节，让英勇的王佐、徐昕将军被鞑子害死！你今天又来劝我投降，你难道又想来害我吗？”
杨大渊越说越激动，竟挥刀把王仲砍为两段。身边的将领也都大声叫好。杨大渊受此鼓舞，统兵严密防守，以防蒙古军来犯。
王仲被杀死后，蒙哥感到这个杨大渊又是一个劲敌，不可小视，立刻命令汪德臣率兵攻打。
汪德臣立刻组织军队猛攻。很快，他的部将张立就攻陷大获城外堡，缴获战船百余艘，而汪德臣也攻破大获城的水门。
杨大渊没想到蒙古人这么能打仗，原本固若金汤的水门就这么被攻破了。看到蜂拥而入的蒙古人，他的豪气全没了，也忘了他骂王仲的那些话，为活命，收拾起金银细软，带着家小和几个亲兵，悄悄打开一道城门逃跑了。
跑了一段路后杨大渊才想到，自己这是要到哪里去呢？皇上会饶过他吗？别说皇上不饶他，恐怕任何一个宋人见到他这贪生怕死弃城而逃的懦夫，都会置他于死地。蒙古人又能饶过他吗？偌大的天下，竟然没有他一分立足之地。罢了罢了，还是回去，投降蒙古人，或许还有一条生路。
蒙哥攻进城后，听说杨大渊逃跑了，大怒，就想屠城，以示惩戒。没想到杨大渊居然又转回来，向他投降了。蒙哥一时满心欢喜，他正需要这样的人，他需要树立这么一个榜样，让以后的宋将都效仿。于是，他不但赦免了全城士兵和百姓，还封杨大渊为都元帅，让他继续统领原有部队。杨大渊呢，经过这一阵折腾后，也就死心塌地地当汉奸。后来，忽必烈征宋的时候，他还再次得到重用，被加升为东川都元帅。
12月，蒙哥率大军进攻运山城。
这里是汪德臣的伤心地，他的兄弟曾在这里丧命于宋军的飞石之下，所以，一到这里，他就咬牙切齿地向蒙哥请战，要立刻发动进攻。
蒙哥向他摆摆手，止住了他。运山城和苦竹隘一样，也建在悬崖峭壁之上，如果一味进攻，不讲策略，可能造成很大的伤亡。
蒙哥在攻打长宁、大获等山城时已经注意到，这些宋军并不都那么顽固，顽固的只是少数。如果能够劝说他们投降，可比武力征服强多了。他要汪德臣以大局为重，先忍耐一下。汪德臣只好恨恨地罢手。
蒙哥采用攻打大获城的办法，先派杨大渊到山上劝降。
运山城的守将是张大悦，他斜着眼睛看了杨大渊一眼，说：“都元帅大人，还没恭喜你升官加爵呢，今天到我这小小的山城作何指示啊？”
杨大渊知道张大悦在讽刺自己，红着脸说：“唉，张大人，惭愧啊！我们身为军人，理当战死沙场，以身殉国，报答皇恩。但是当今朝廷奸臣当道，蒙蔽圣上，四川制置使蒲泽之和余晦一样，昏昧无能。我们这些当臣子、下属的，孤立无援，能打胜仗吗？”
张大悦收住蔑视的眼光，埋下了头。
杨大渊继续说：“其实，我已经看明白了，不管是赵家当皇帝，还是孛儿只斤家当皇帝，关键要看谁对老百姓好，谁领导的国家有前途和希望。这一次蒙哥合罕南下，已经和以往的蒙古人有了很大的不同，他不屠城，优待俘虏，不抢老百姓的财物，不破坏庄稼。我相信四川人将来能够过上好日子。四川的仗已经打得太久，不能再往下打了，老百姓经不起折腾啊！”
杨大渊又被自己说感动了，觉得自己说的简直就是百分之百的真理。张大悦本来也是个怕死的人，杨大渊这么一说，给他找到了投降的台阶。他正要点头答应的时候，旁边闪出部将施择善，大骂杨大渊道：“你这个叛国变节的强盗，竟然还觍颜在此，振振有词地说你那套卖国求荣的理论，蛊惑我主！你趁早给我滚下山去，穿你那肮脏的鞑子皮毛，像个畜生一样享受你的荣华富贵，否则，我会像你砍死王仲那样，把你砍成两段！”
张大悦不好开腔了，他对杨大渊说：“杨大人，你还是下山去吧，惹恼了我的兄弟们，到时候我可劝不住他们。”
杨大渊下山没走多远，张大悦就派使者来告诉他说，自己已经决定投诚了，奈何有施择善等人守在城门口坚决抵抗，自己不好操作。他让蒙古军半夜三更时前来，他在里面接应，这样就可以一举拿下运山城了。
杨大渊回去向蒙哥一汇报，汪德臣在旁边说：“合罕，我怎么觉得这像是一个阴谋呢？”
杨大渊拍着胸脯说：“我敢保证张大悦不是那样的人！”
蒙哥说：“管他是不是阴谋，我们还怕他不成？大家吃得饱饱的，养足精神，半夜准时行动！”
张大悦没有让蒙哥失望，他果然在里面打开了城门，蒙哥直往里冲，进去的人越来越多，城门再也无法关上。守在城门口的施择善指挥守军拼死抵抗，但为时已晚，抵抗的士兵迅速被蒙古军缴械捉住。施择善不屈不挠，大骂张大悦，最后被蒙哥处死。
大获、运山等山城的降蒙带来了灾难性的后果，后面的山城纷纷效仿，当蒙哥大军继续顺嘉陵江南下，进至青居城时，裨将刘渊杀死都统段元鉴，主动出城投降。段元鉴就是趁汪德臣从钓鱼城败退的时候，从汪德臣手中夺回苦竹隘的那个宋将。后来他又被蒲泽之调至青居城。刘渊本想掌控青居，由于段元鉴的到来，他做青居之主的梦想破灭，所以当蒙哥大军来犯时，他为了个人私欲，竟置国家大局于不顾，卖主求荣。可怜余玠当年苦心经营的铁板防守，就这样如冰块一样轻轻化掉。
接着，大良坪、龙州、石泉守将纷纷投降蒙哥。从六盘山出征两个月以来，蒙哥大军竟然占领了十多个山城，“川中八柱”已失其五，只剩钓鱼、得汉、白帝三城了。
蒙哥在四川取得了巨大胜利，另外两支攻宋部队却并不尽如人意。
1258年7月，在打败安南后，兀良合台命令安南率领从征军跟随自己进入广西。但是，兀良合台到达广西时，安南并没有按照约定派军前来。
恰在这时候，南宋也发动了对安南的战争。安南和南宋的关系正如他们和蒙古一样。他们一直受南宋压迫，但他们也常常把南宋打败。不过虽然取胜了，为免遭更大的打击，又往往会及时对南宋纳贡称臣。这一次，由于安南对蒙古称臣，让南宋很是恼怒，他们派出大军进攻安南，这也使得安南腾不出手来。
不过，兀良合台的出征也让南宋无暇旁顾，只得把伸向安南的拳头又缩了回去，守住他们的各大要塞，阻挡蒙古人的入侵才是当务之急。
兀良合台兵力不足，又遭到了宋军各城寨的顽强抵抗，再加上他们进入广西腹地以后，遇到了瘴气，南方湿热的气候让他们非常不适应，瘟疫也在这时候流行起来，所以没过多久，他们就不得不再次退回大理休整。第一趟试探性的广西之行算是失败了。
塔察儿对襄阳、樊城的进攻仍然没取得什么进展。这主要有两个原因：一是塔察儿没有解决带兵的根本问题，他的部下烧杀抢掠的现象一直存在，他从来没想过要改变这种作风。二是这时候襄阳、樊城又增强了防守，塔察儿的骑兵在这江河密布之地根本就施展不开拳脚。由于上次擅自撤军受到了蒙哥的斥责，这一次，虽然进攻毫无进展，他也只能一味向前猛冲猛打，没想过迂回的策略。所以，几个月下来，他们还停在襄樊城下，没能前进一步。
塔察儿拙劣的进攻让一个人看得忧心如焚，又心痒难抑，这个人就是忽必烈。忽必烈这时候已经开完佛道辩论大会，又没什么事可干了。全蒙古都在打仗，黄金家族的所有人都在战场上叱咤风云，唯有他在家里做闲王，这让他如何不焦虑？
更让他焦虑的是，塔察儿就在他眼皮底下打仗，塔察儿不胜的原因他看得一清二楚，他心里也早已筹划出了应变的策略，但自己一个为合罕惩治的人怎好出面干涉呢？
姚枢看到忽必烈焦躁的样子，故意对他说：“可汗，全蒙古都在东征西讨，您怎么还一个人在家里坐得住呢？”
“是啊，本汗实在是坐不住啊！”忽必烈急迫地说，“但是有什么办法呢？合罕不让本汗统兵啊！先生有什么指教本汗的吗？”
姚枢说：“可汗如果想统兵，可以去向合罕申请啊！”
忽必烈高声说：“先生又不是不清楚，合罕正在生本汗的气呢，本汗的申请他怎么可能答应呢？”
姚枢笑笑说：“微臣敢保证，这一次合罕一定会答应的！”
忽必烈吃惊地问：“先生为什么这么肯定？”
姚枢说：“微臣有两个理由：一是合罕最近在四川连打了几个大胜仗，‘川中八柱’他已拔其五，只要再拿下钓鱼城等几座山城，攻下重庆，就可以肃清四川战场。合罕的心情正高兴着，他不会计较其他了。二是当今塔察儿和兀良合台的进攻都不太顺畅，只有合罕孤军作战，这种局面下，不但打不开荆湖、襄樊战场，而且南家思正调兵遣将涌入四川增援，在这种关键的时刻，合罕肯定需要一个人为他稳住另两个战场，以便放手对付四川剩下的几个据点。所以，如果可汗这时去向合罕申请，正好成为合罕需要的那个人！”
姚枢的鼓励让忽必烈变得信心十足，不过，他仍然觉得应该小心谨慎。万一这一次去向蒙哥申请，蒙哥又不许，反而产生新的猜忌，那不是得不偿失？忽必烈用上次的办法，让察必给也速儿准备了一些蒙古的小点心，派廉希宪以给也速儿送点心为由去四川见蒙哥。
1258年年底，廉希宪来到四川，他告诉蒙哥，他是专程代察必王妃给也速儿皇后送礼物来的。也速儿看到察必千里迢迢捎来的点心，高兴得像个小孩，一边大口吃着，一边直嚷嚷：“察必姐姐真好，这么远还给我送点心！她就知道我想念这些东西，我都好久没吃过这么好吃的东西了！”
蒙哥看到也速儿喜欢，也很高兴，不禁问道：“廉希宪，你们可汗最近在家里做什么呢？”
廉希宪说：“也没做什么，骑马打猎呀，饮酒宴乐呀，就这些事！”
蒙哥听了很高兴，却故意装出一副生气的样子说：“这个忽必烈，他才舒坦呢！我们在前方拼死流血，他却在家里饮酒作乐，享受美食。他就不担心朕的安危吗？”说着，从也速儿手中接过一块点心扔进嘴里。
廉希宪见蒙哥有所松动，赶紧说：“怎么会呢？合罕洪福齐天，自然安康太平！忽必烈可汗每天起床后，第一件事就是向长生天祈祷，让长生天保佑合罕呢！”
蒙哥说：“好啊，难得二弟有这份心！廉希宪，二弟对朕打的这仗有没有什么看法啊？”
廉希宪说：“忽必烈可汗非常佩服合罕啊！说合罕不但治理天下有雄才大略，指挥打仗更是旷世奇才！才带兵两个月，就扫平四川大半，这样的神速，就是当年圣主成吉思汗在世，也做不到啊！”
蒙哥哈哈大笑，说：“廉希宪，你别尽拣好听的说！对这场攻打南家思的战争，你有没有好的建议啊？”
廉希宪说：“合罕，一切都在您的掌控之中，用不着多说。微臣只是觉得，当今三大战区的荆湖战区稍不顺利，由于兀良合台将军遇到瘴气，退了回去。这也是没有办法，天灾人祸嘛！不过，如果兀良合台将军不能及时到达潭州、鄂州，鄂州之敌沿江而上，到达四川，会给合罕增加一些压力啊！”
蒙哥未尝不明白这一点，他已经接到探报，赵昀因为不满蒲泽之在四川节节败退，已经派吕文德率军从鄂州前来代替蒲泽之为四川制置使，虽然他已派纽璘阻挡，但形势确实非常严峻，必须有个强有力的人来牵制宋军。而这个人，非忽必烈莫属。
蒙哥故意叹口气说：“希宪啊，朕也正忧愁此事呢！你觉得还有谁能帮朕分担呢？”
廉希宪说：“是啊合罕，现今蒙古亲王中，除了阿里不哥可汗在哈拉和林主持朝政外，几乎所有的亲王都在外征战。要说闲着没事的，就只有忽必烈可汗了。合罕不如派忽必烈可汗统兵进攻荆湖地区，或许能帮合罕分担一点儿压力。”
蒙哥说：“朕也想过这个问题啊，只是这个忽必烈已经闲耍惯了，不知他愿不愿意为朕分担啊？”
廉希宪说：“忽必烈可汗深爱着合罕，怎么会不愿意呢？况且合罕有令，忽必烈可汗敢不驱驰？微臣这就回去，传达合罕圣意。忽必烈可汗戮力前行，或许能为合罕分担万一。”
廉希宪很会说话。一是他通过也速儿引起蒙哥的好感；二是在说到战场形势的时候并没有说屡犯错误却仍被蒙哥重用的塔察儿，也没有否定兀良合台的斡腹之谋，而是拿瘴气说事；三是他在赞扬蒙哥的同时，故意轻描淡写地说到忽必烈。这样也就给蒙哥找了一个台阶，让蒙哥能不着痕迹地安排忽必烈出兵。
蒙哥是何等聪明之人，他知道廉希宪的意图，也并不说破，而是借坡下驴，及时让忽必烈出山。他命令忽必烈取代塔察儿统领北路军，率领张柔等汉军将领整军南下；命令兀良合台率南路军，取道自杞再次北上；自己率西路军主力顺江而下，围攻钓鱼城，并且和其他两路大军再次相约，于来年2月在潭州会师，5月拿下临安。
