8月，奉命攻取鄂州的忽必烈遣杨惟中、郝经宣抚京湖、江淮，带领归德军先至江上，又会合诸军渡淮。忽必烈由大胜关（河南罗山县南），张柔由虎头关分道并进，宋军皆演。忽必烈军至黄陂（湖北黄陂北）。9月，亲王木哥自合州遣使，把宪宗死讯报告给忽必烈，请他北还。忽必烈则说：“我奉命南来，怎么可以无功而还？”继续进兵渡江围攻鄂州，宋军坚决抵抗，固守不降。蒙古军一部分又进入瑞州（今江西高安）。
10月，宋丁大全罢相，吴潜、贾似道为左右丞相兼枢密使。贾似道屯兵汉阳以援鄂州。当时，边报日急，南宋都城临安团结义勇，招募新兵，增筑平江、绍兴、庆元等地城堡，朝野上下处于震恐之中。
闰11月，忽必烈得知阿里不哥争位的消息，决策北归，留张杰、阎旺师等候湖南兀良哈台的军队。1260年正月，兀良哈台由潭州北上至鄂州，与忽必烈所留部队会师后北归。
忽必烈北归至燕时，脱里赤正在燕地征括民兵，百姓甚苦，忽必烈诘问其原因，脱里赤假说是先帝临终之命。忽必烈知道他想图谋为乱，将其所集之兵遣散，由此民心大悦。忽必烈又在途中遣张文谦与商挺计议如何行事。商挺说：“应当严格整饬军中的符信，以防奸诈。”于是忽必烈急速派遣使者至军中定立约束。其后，阿里不哥也派使者至军中，被忽必烈执而杀之。3月，忽必烈军至开平（今内蒙古正蓝旗东闪电河北岸）。廉希宪闻听阿里不哥命刘太平以及大将霍普海于关右行尚书省事，忽必烈得到报告后担心他们结纳诸将进而引起秦、蜀之地的动乱，遂请赵良弼前往侦察，赵良弼确得其实，还报忽必烈。这时诸王合丹、木哥、塔察儿与诸大臣都会集于开平，旭烈兀也从西域遣使来会，只有阿里不哥没有前来。忽必烈即位，是为薛禅皇帝。薛禅是蒙古语，意为“聪明智慧”。蒙古不由贵族会议（忽里勒台）推举嗣君，就是从忽必烈开始的。
忽必烈居潜邸为诸王时，就想大有作为于天下，经常访求贤才，虚已咨询。先是有怀仁（今属山西）赵璧在藩邸，被忽必烈所信任，称他为秀才而不呼其名。董文用为忽必烈侍讲，忽必烈让他去招聘名士。肥乡人窦默以经术教授于乡里而闻名，忽必烈遣董文用去招之。窦默应招之后，又推荐了姚枢，忽必烈遂遣赵璧去招之。金左司郎中王鹗在金朝灭亡时就要被杀，被万户张柔救了下来，也被忽必烈聘了去。邢台人刘秉忠，初为令史，后隐居武安山中为僧，名子聪，其后又游历至云中，居南唐寺。当时僧人海云被忽必烈所招，海云在赴召途中路过云中，闻听僧子聪博学多才，遂邀请他一起去见忽必烈，甚得忽必烈喜爱，海云归去后，僧子聪被留于藩邸。1247年时，忽必烈接受了邢州分地。邢州地处要冲，赋税征求百出，百姓负担沉重，不堪忍受其苦。僧子聪推荐张文谦可用，忽必烈召见他，命其掌王府书记。张文谦对忽必烈说：“现在百姓生活困苦，最数邢州为甚，应该派人去治理。”于是挑选脱兀脱、刘肃、李简三人去邢州，他们协心治理，邢州户口加十倍。此后，忽必烈更加重视儒士。忽必烈闻知真定路经历官张德辉贤能，亦召至于藩邸，问以治道，并且又访求中原人才。德辉举荐魏磻、元裕、李治等二十余人。
蒙哥以忽必烈总治漠南之地时，忽必烈宴请群下，群下纷纷表示祝贺，唯独姚枢一言不发，忽必烈问其原因，姚枢说，如今天下土地之广，人民殷阜，财赋丰厚，哪里也比不上汉地，如果您现在尽有之，那么大汗怎么办？他一旦后悔，就将剥夺你的权力。不如你只要兵权，其他事交付有司处理，这样才会事顺理安，保全自己。忽必烈有所醒悟，说：“我想的不周到。”蒙哥想要更新庶政，而姚枢、张文谦、僧子聪等人每次都选择时务所急需的一些事情事先告诉给忽必烈，由忽必烈入告给蒙哥，因而赢得了蒙哥的信任。
忽必烈即位前，就在身边形成了一个庞大的智囊团。即位后，他就让僧子聪与许衡负责定官制，以中书省总政务，枢密院掌兵权，御史台司黜陟，内有监、寺、院、司、卫、府，外有行省、行台、宣慰、廉访，地方有路、府、州、县，官署以蒙古人为长，汉人为副。以王文统为平章政事，张文谦为左丞，建立起中书省。十路宣抚使以及负责中原汉地政务的燕京行中书省等行政机构，从而巩固了在中原地区的统治地位。
1260年4月，阿里不哥在和林称帝，据有漠北地区，并密约关中、陇蜀等地将领支持。忽必烈任廉希宪为宣抚使，率领汪良臣等抚定诸将。5月，忽必烈建元中统，蒙古自此开始有年号。12月，忽必烈以吐藩僧人八思巴为国师，统领佛教，管辖西藏政事。
1261年，忽必烈率大军讨伐阿里不哥。11月，双方战于昔木土脑儿，诸王合丹杀其将火儿赤以及兵士三千人。塔察儿等也分道进击，大破阿里不哥的军队，追其北25千米。忽必烈率诸军随其后，然后会合三路兵围攻阿里不哥，其部将大多投降，阿里不哥向北逃去。自此以后，阿里不哥不能再组织起军事力量。1264年7月，阿里不哥与诸王玉龙答央、阿里带及其谋臣不鲁花、忽察秃满等都投降。诸王获释，不鲁花被诛。在此前数年之中，阿里不哥曾西走与阿鲁忽争察合台汗国，攻战连年，天山南北路为之残破。
在忽必烈与阿里不哥争夺汗位期间，蒙古江淮大都督李王玉璮着手修筑济南、益都等城壁，并于1262年从开平召回其子李彦简，消灭了蒙古戍兵，以济南、益都、涟海三城投降南宋。宋诏授他为保信、宁武军节度使、督视京东、河北路军马，封齐郡王，并追复其父李全官爵。蒙古平章政事王文统及其子因与李璮相通而被杀。3月，忽必烈命史枢、阿术等将兵赴济南，大破李璮军，斩首四千人。李王宣退保济南。4月，忽必烈命诸王哈必赤总领诸道兵击李璮，又复命史天泽前往山东，诸将皆受其节制。史天泽采取困厄的办法，挖深沟，筑高垒，围攻济南。7月，李璮兵败被杀，史天泽回朝后，奏请罢大藩子弟专兵民之权，并请从自家开始。于是史氏以及张柔、严忠济子弟等全都归还了私第。
1265年8月，蒙古元帅阿术率兵至庐州及安庆诸路。宋统制范胜统领张林，正将高兴、副将高迪等领兵迎战，结果全部战死。宋夏贵率领五万军队进攻潼川（今四川三台），蒙古都元帅刘元礼只领兵数千人出战，而夏贵败走。
1266年10月，蒙古总帅汪惟正遣将由间道袭击开州（今四川开县），杨文安派千户王福领兵相助，城陷后，宋守将庞彦海投崖而死，蒙古留兵戍守。
1267年8月，蒙古都元帅阿术侵掠襄阳，进入南郡（湖北江陵），攻取仙人、铁城等栅寨，俘虏居民五万。还军时，南宋军队在襄、樊之间邀击。阿术自安阳滩济河，留精兵五万人列阵于牛心岭。然后又立些虚寨，设置疑火迷惑宋军。夜半时，宋军至，蒙古伏兵起而攻之，宋军大败，死者万余人。11月，蒙古南京宣慰使刘整对忽必烈说：“攻宋的战略应该先取襄阳，然后由汉水进入长江，可直抵临安，削平南宋。”忽必烈采纳了刘整的建议，下诏征发诸路兵，命阿术与刘整经略襄阳。12月，宋以吕文焕改知襄阳府兼京西安抚副使。
1268年，蒙古阿术领兵围襄阳，在白河口及鹿门山修筑栅寨，又在汉水中筑台，与夹江堡相应，全部切断了南宋援救襄阳的道路。蒙古还以刘整为都元帅与阿术共同议事。在刘整的建议下，征调汉军对付山水、寨栅，并训练水兵。11月，宋襄阳守军进攻蒙古沿山诸寨，为阿术军打败。
1269年正月，阿术领兵侵掠复州（湖北天）、德安府（湖北安陆）、京山等处，掳掠万人而去。蒙古又征括诸路兵马增援襄阳，遣史天泽与枢密副使呼刺出前往襄阳。史天泽军至襄阳后修筑长围，起自万山，围百丈山，使襄阳、樊城南北不相通。又筑岘山、虎头山成为一字城，连接各处城堡，作长期围困的打算。3月，阿术率军自白河围樊城。
宋沿江制置副使夏贵于春季河水上涨时曾率轻骑运粮至襄阳城下，担心蒙古军袭击，将粮食交付给吕文焕后立刻返回。7月，大雨季节，汉水暴溢，夏贵分遣舟师出没于东岸林谷之间。一日，夏贵领兵赴新城（湖北保康、房县一带），至虎尾洲，被蒙古万户解汝楫等舟师所败，士卒溺汉水而死者甚众，战舰五十多艘全部沉没。范文虎率领舟师声援夏贵，至灌子滩，也被蒙古军打败。文虎驾轻舟逃遁。
