元军破襄樊后，忽必烈强令征兵10万，增加攻宋兵力，决定乘胜直捣南宋腹地。命驻蜀元军进攻各要地，以阻宋军东援；命淮西行枢密院使合丹、刘整攻淮西，淮东都元帅博罗欢等攻淮东，牵制两淮宋军；以荆湖行省左丞相伯颜、平章政事阿术等率领主力，自襄阳顺汉水入长江，直趋临安，并告诫伯颜勿妄杀军民，以争取人心。
宋咸淳十年（公元1274年）九月，伯颜与阿术率军进至郢州（今湖北钟祥），遭宋黄州武定诸军都统制张世杰顽强阻截，为减少损失，早日入江，伯颜令军舍郢经黄家湾、藤湖（今湖北钟祥东、东南）迂回而进。十月，元军集兵强攻破沙洋，新城（今湖北钟祥南）。
十一月，进至蔡店（今武汉汉阳西），欲渡江攻取鄂州（今武汉武昌）。
鄂州地处汉水人江口，为长江咽喉，南北要冲，是南宋的江防重镇。宋廷为阻止元军攻汉入江，命淮西安抚制置使夏贵率战船万艘，控扼汉水入江口，权知汉阳军王仪守汉阳，权知鄂州张晏然守鄂州，都统王达守阳逻堡，荆湖宜抚使朱祀孙以游击军扼大江中流。十二月，伯颜以声东击西之策，使元军进占沙芜口（今武汉汉阳东），屯驻江边。继而避实击虚，强渡长江成功。遂分割包围破阳逻堡、汉阳军，攻占鄂州，完成了灭宋战争的重大转折。
宋德佑元年（公元1275年）正月，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4万镇守鄂州。自率10余万大军，令降将吕文焕为先锋，以战抚兼施之策，沿江东进。因沿江诸郡多系吕氏旧部，元军所至皆纷纷归降。二月，宋贾似道奉命督师13万，战舰2500艘，于丁家洲（今安徽铜陵北）至鲁港（今安徽芜湖西南）进行阻击。因将帅各怀异志，临阵先遁，诸军一触即溃，致使宋军精锐损失殆尽。三月，元军至建康（今南京），宋沿江制置使赵氵晋弃城遁，都统徐王荣等以城降。镇江知府洪起畏遁，总管石祖忠以城降。偏师取饶州（今江西波阳）、宁国府（今安徽宣城）、广德军（今属安徽）、溧阳、常州（均属江苏）等地相继归降。
十一月，伯颜分兵三路会攻临安，西路以阿刺罕为帅，于十一月下旬逼进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2000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。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。伯颜攻克常州后下令屠城，只有7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。
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、张碹率领，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，增强了元军海战能力。东路军出长江口后沿海南下，十二月逼近钱塘江口，从海道包围了临安。
宋景炎元年（公元1276年）正月，元军三路大军会师皋亭山（今杭州北）。宋摄政太皇太后谢道清拒绝张世杰、文天祥背城一战，以图求存建策，一面送益王赵曰正、广王赵曰丙南逃，一面遣使赴元请降。丞相陈宜中遁温州（今属浙江），张世杰、苏刘义等各率所部离去。二月初五，宋恭宗赵显率百官于临安降元。至此，元攻临安之战结束。
