公元1252年秋，忽必烈在自己的封地金蓮川草原接到蒙哥的詔書，要他回到蒙古帝國都城哈剌和林參加高級軍政會議。
蒙哥汗決心向兩個方向同時發動征服戰爭：蒙哥汗命令他的三弟旭列兀集結15萬大軍，向西進軍伊斯蘭世界核心腹地直至攻占埃及。命令他的二弟忽必烈集結10萬大軍，先征服云南的大理國，再大迂回向東，同四川、荊襄、江淮等地幾路蒙古大軍合圍一舉征服南宋王朝。
這是忽必烈第一次獨立指揮如此大規模軍事行動，這對時年37歲的忽必烈來說是個巨大的挑戰，同時也是他建立軍功和培植勢力的絕佳機會。
蒙哥汗之所以選擇向兩個方向超過一萬公里跨度的區域擴張征戰，他是有自己的考量的。蒙哥汗憑借他母親的韜光養晦和政治運作，在復雜的蒙古帝國權力爭斗中，好不容易將蒙古帝國汗位轉到了拖雷系家族中，為了將蒙古帝國的軍政大權一直牢牢掌控在拖雷家族手中，蒙哥汗必須讓自己家族的人去更多的建立軍功，所以他頂著巨大的壓力將兩個征服方向的主帥委任給了自己兩個親弟弟。
公元1252年深秋，忽必烈率大軍離開蒙古草原，一路向南，經過了甘肅的六盤山，這里是他的祖父成吉思汗去世的地方，在這里他停留了一段時間，隆重的祭奠了成吉思汗，而后南下向甘南地區進軍。
公元1253年夏，忽必烈穿過甘肅南部的臨洮地區，進入青藏高原吐蕃人的地界。早在公元1247年秋，通過《涼州會盟》，青藏高原吐蕃政權就已經納入了蒙古帝國的版圖。
此時年僅18歲的八思巴成為了藏傳佛教薩迦派的教主，也是青藏高原吐蕃人的實際最高軍政教合一領導。忽必烈立即派使者邀請八思巴活佛到蒙古軍營敘談，八思巴佛法造詣深厚，學識非常淵博，兩人交談得非常愉快，忽必烈對八思巴非常賞識。在甘南草原停留的這段時間，八思巴經常向忽必烈講述有關佛學的教義和真諦，忽必烈聽的是如癡如醉，漸漸地開始迷上了佛學，更是對八思巴佩服的不得了。后來忽必烈和他的妻子察必以及子女20幾個人都接受了藏傳佛教密宗的灌頂儀式，忽必烈拜八思巴為上師，從此將八思巴奉為精神導師。
在甘南草原蒙古大軍已經休整有些時日了，忽必烈辭別了八思巴，率大軍繼續南下，進入到了川西的松潘地區。在川西地區山地和沼澤很多，嚴重影響了蒙古騎兵的行進速度，不過好在一路沒有遇到什么抵抗，沿途很多部落都是望風而降。
在松潘地區，忽必烈對征戰大理進行了戰略部署，大軍兵分三路：西路大軍由兀良合臺(速不臺之子)率領，經甘孜理塘一帶南下，經吐蕃領地進軍到迪慶香格里拉一帶；東路大軍由也只烈將軍率領，走川西平原南下，進軍到建昌、會川兩府(今西昌、會理)；中路大軍由忽必烈親自率領，抵達瀘定，強渡大渡河，順著大渡河兩岸南下，到達麗江永寧的金沙江邊。
按忽必烈的戰略構想，三路大軍，分進合擊，從不同方向掃滅大理國的抵抗，最后在大理國的都城羊苴咩城(今大理市下關一帶)會師，合圍該城滅掉大理國。
東路大軍很快攻占了建昌、會川府，在進軍姚州(今云南楚雄彝族自治州姚安縣光祿鎮)時遭遇到了守城將領高通的拼死抵抗，進軍受阻，忽必烈迅速調整戰略部署，命令東路大軍放棄姚州，轉道向西同中路大軍會師于麗江，兩路大軍合力再去攻打羊苴咩城。
忽必烈率中路大軍放慢進軍速度，等待東路大軍的到來。此時西路大軍在兀良合臺的帶領下從巨甸(今云南麗江玉龍納西族自治縣巨甸鎮)渡過金沙江，抵達麗江西部，開始進攻大理國重鎮空和寨。大理人在空和寨構筑了非常堅固的城防工事，蒙古大軍進攻再次受阻，兀良合臺拿出他老爹速不臺當年勇猛無敵死戰不退的勁頭，不畏艱難險阻，日夜猛攻空和寨，經過7天7夜不間斷的血戰，蒙古人占領了空和寨，大理國的西北門戶洞開，蒙古人的兵鋒很快直指大理國都城羊苴咩城。
蒙古人攻破空和寨，逼近大理國都城的消息很快引發了大理國內君臣之間極大的心里恐慌。大理國權相高泰祥原以為蒙古人會集中兵力突破東路和中路兩個方向，所以將主要的兵力都布防在東路和中路方向，沒料到蒙古人藝高人膽大從山高路遠易守難攻的西部殺了過來，這完全打亂了高泰祥的計劃。高泰祥鑒于都城陷入危機的狀況，即刻率大理國主力回師援救都城，只留下少量的軍隊來防守金沙江。忽必烈抓住這個戰機，很快就突破了大理國金沙江防線，而后三路大軍會師抵達羊苴咩城下，開始準備合圍攻打大理國都城。
很快蒙古大軍完成了對羊苴咩城東面和北面的合圍，眾將領覺得現在蒙古三路大軍聚集，士氣正旺盛，紛紛請戰攻城，準備一鼓作氣拿下大理。
忽必烈此時卻非常冷靜，表現出了一個統帥該有的沉穩氣度，他拒絕了將領的請求。大理國境內崇山峻嶺，交通非常不便利，境內百姓民風異常彪悍，要征服大理不能造成過多殺戮，要征服大理，先要征服大理國的民心，不戰而屈人之兵，才是上策。
忽必烈派遣玉律術、王君侯、王鑒作為蒙古特使進入羊苴咩城，招諭大理國君段興智率土歸降。段興智被蒙古人嚇破膽，猶豫不決，權相高泰祥堅決反對投降，準備跟蒙古人決一死戰。為堅定大理國上下抗擊蒙古人的決心，高泰祥下令將三個蒙古特使公開斬首。同時段興智、高泰祥下令加固城防，積極整軍備戰抗擊蒙古人。
忽必烈并沒有因為使者被殺而憤怒，即刻又派了第二批使者入城勸降，這一次高泰祥沒有處死蒙古特使，而是放蒙古使臣回去了，并讓特使告訴忽必烈，大理國是絕對不會投降的。忽必烈還想做最后一次爭取，派遣了第三批使者入城勸降，這次高泰祥依然拒絕投降。
既然沒有選擇，蒙古人只能武力攻城。羊苴咩城背靠蒼山面朝洱海，依山傍水而建，城池非常堅固，此時守軍也是抱著必死一戰的決心守城，守軍士氣高昂，這必將是蒙古人和大理國的一場生死血戰。
忽必烈命令蒙古大軍將羊苴咩城團團圍住，隨軍工匠日夜打造攻城器械，城下擺滿了大量的投石機和蒙古人新研究的攻城武器，做好了要強勢攻城的所有準備。與此同時忽必烈派一支軍隊繞道蒼山的西側，從西面向東攀登蒼山，而后順蒼山而下，直沖大理軍的身后，突入城中，大理國都城此時大亂。
忽必烈乘勢下令大軍全面攻城，投石機拋射的大石塊，火油發射器發射的炸藥，源源不斷地投向城墻和內城，城墻被炸開多個缺口，城內的軍民被這鋪天蓋地的拋射物嚇的肝膽俱裂，蒙古大軍順著缺口沖入內城，大理軍開始四散潰逃。
經過一天的喋血激戰，蒙古人占領了大理國都城，段興智逃往鄯闡(今昆明)，高泰祥逃往了姚州。攻占大理國都城后，兀良合臺請示忽必烈要屠城，為被殺害的蒙古使者報仇雪恨。忽必烈沒有答應屠城的要求，這是蒙古人這么多次戰爭中保持的少有的克制。忽必烈下令要嚴格約束蒙古軍隊，滿城插滿了“止殺”的旗子，并搜集大理國的圖書典籍檔案，保護大理國的文物。
高泰祥逃往姚州后，日夜不停的積極整軍備戰，積極的募兵勤王。蒙古人很快包圍并攻占了姚安，高泰祥兵敗被俘虜，蒙古軍將他押回羊苴咩城，忽必烈感念他為大理國盡忠盡責，有大忠大勇的氣度，不忍心殺死他，就派人勸他投降，并許以高官厚祿，高泰祥斷然拒絕，決心赴死，這也算是大理國最有血性骨氣的人了，忽必烈無奈之下只得下令將他斬首。
1254年秋，段興智在昆明被蒙古人抓獲，兀良合臺將他送到蒙古帝國都城哈剌和林朝覲蒙哥大汗，蒙哥汗饒恕了段興智，任然委派他作為大理地區的管理者。段興智對蒙哥汗感激涕零，日后非常積極地為蒙古帝國效力。段興智配合蒙古軍鎮壓了原大理國各地抗擊蒙古人的勢力，還籌集物資派遣軍隊參加了蒙古人對緬甸、安南(越南)的戰爭。
大理國自段思平建國，傳至末代帝王段興智，總共傳了22代，立國317年。
