至元十一年（1274年），元军征宋大元帅伯颜采用声东击西之计，突破长江天险。是年十二月，元军攻占鄂州（今武汉武昌）后，伯颜即命大将阿里海牙领兵四万据守鄂州，占据这个长江沿线桥头堡，并监视荆湖未下之地，同时阻断川蜀沿江东进。伯颜亲自率主力部队沿江东进，直扑南宋都城临安。
1275年3月，元军先后攻占建康、镇江等重镇。忽必烈重新部署灭宋方略，命阿里海牙攻湖南，切断南宋东西联系；又命阿术驻瓜洲，攻扬州，阻挡淮东宋军南援；大将伯颜则率主力直取临安。元军攻宋期间，正逢江南疫病流行，江南百姓更因战乱流离失所，一些地区甚至发生了饥荒。伯颜看到后，下令开仓赈饥，发药治病。江南百姓大为感激，称伯颜的军队为“王者之师”。丁家洲战役后，在元军的武力与怀柔政策下，南宋军民多不战而降。
1275年7月，阿术率军在焦山水陆配合，运用火攻大败宋军张世杰水师，俘虏万余人，获战船七百余艘。在这一仗中，张世杰的水军力量雄厚，士气也很旺盛。只可惜张世杰有勇无谋，空怀忠勇，将南宋巨舰用铁索连在一起，本来是表达誓死不退的决战之心，却让元军来了个火烧赤壁的南宋版。一把火过后，跟着是元军的水陆并进，将张世杰水师几乎全歼。
1275年10月，伯颜于镇江分兵三路南攻；参政阿剌罕、四万户总管奥鲁赤等为右路军，率步骑自建康经溧阳、广德攻独松关；同行中书省事董文炳、万户张弘范、两浙大都督范文虎等为左路军，率舟师经江阴军（今江苏江阴）、许浦（今江苏常熟东北），由海路趋澉浦（今浙江海盐南）；伯颜与右丞阿塔海率中路军向常州、平江（今江苏苏州）进发，并节制诸军，会师临安。南宋得知常州危急，急忙派张全率兵两千，平江知府伊玉、麻士龙率兵三千赴援，与元军展开激战，在元军大兵压境的情况下，多数战死。
元军大军齐下，西路军主帅阿剌罕率军南下，连克溧阳、建平，一路势如破竹，只在独松关（今浙江安吉县东南）遭到守将张濡的顽强抵抗。他们以步兵战骑兵，虽舍生忘死，但终因寡不敌众，最终全部阵亡，于是元西路大军便控制了临安的北大门。
元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、张王宣率领，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岸线，十二月逼近钱塘江口，从海道包围了临安。
元中路军由伯颜率兵进攻常州，常州是拱卫临安的前沿，是元军整个攻取临安计划的关键，伯颜亲自指挥攻城。元军在城南筑高台，把大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。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。
伯颜攻破常州后，派都元帅阁里帖木儿、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。
1276年正月，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，一面送益王赵昰、广王赵昺南逃，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。伯颜取谢道清手诏，招降未附州县（参见临安之战）。淮西制置使夏贵以淮西降元。淮东制置使李庭芝坚持抗元至七月，应流亡政权之召，欲讯海南归；副将朱焕以城降元，李庭芝、姜才等被俘杀，淮东尽为元军占领。江西战场，宋都带、李恒等破隆兴府（今南昌）后，招降十一城；旋于团湖坪（今江西万年西南团湖山下）、龙马坪（今江西进贤北军山湖畔）击败宋军抵抗。十三年二月，破建昌军（今江西南城）、临江军（今江西清江西南）。吉、袁（今江西吉安、宜春）、赣（今属江西）等州相继降，江西平。湖南战场，阿里海牙于十三年正月攻破潭州（今长沙），旋招降湖南未附州县及韶州（今广东韶关）、南雄（今属广东）等州，湖南平。
在大军压境形势下，南宋朝廷一片混乱，宋廷既没有兵力抵抗，求和又被元军拒绝，陈宜中以及朝中文武百官纷纷逃离临安。谢太后无计可施，只好派临安知府贾余庆以恭帝名义奉传国玺及降表，到臬亭山向伯颜请降。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，收缴宋廷衮冕、圭璧、仪仗、图籍以及大批财宝、器物，运往大都。伯颜亲自入临安城安置宋廷人员，把宋帝赵显、皇太后全家以及其他朝官、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。
临安会战至此结束，从建立建康基地到攻取临安算起，此战仅用了一年时间。从战略上来看，元朝采用攻击逼降的策略，忽必烈为配合前线，先后派礼部尚书廉希圣、工部侍郎严忠范到宋朝劝降，伯颜也派张羽等人招降，目的是为稳住宋朝君臣，取得了整个战局的主动权；在战术方面则使用分路并进，合而击之的方法，三路大军三管齐下，西路断其响应，东路断其退路，中路攻坚突破。南宋方面由于采取消极防御战略，战和不定，最终失去了抗击元军的有利形势，以亡国而告终。
说到南宋的灭亡，这里还发生了一件非常荒唐的事情。当元军接近临安的时候，陈宜中等人主张迁都，放弃临安。经过几次劝说后，终于说服了谢太后。陈宜中得到谢太后的准许后马上回到府中，叫家人开始收拾物品，准备逃亡。谢太后在宫中久等陈宜中回音不至，就慌张了起来，派人到陈宜中府中探个究竟。探子去后，回来禀告说：陈宜中正忙着收拾行装。这可把谢太后气坏了，她哭着大骂陈宜中只顾自己安危，却不顾及他们孤儿寡母的死活。她越想越觉得凄苦，最后干脆不走了，作出了投降元人的决定！其实陈宜中虽然奸佞，但他却明白如果赵氏不存在了，他也就失去了存在的价值，所以他是一定要带赵氏遗孤走的。只是，一来他确实有轻慢赵氏孤儿寡母的心理，二来他急于布置迁都的各项工作，一时没有来得及回宫禀告而已。可惜只因一个老妇人的愚钝，就将南宋江山轻易地断送了……
元军进入临安后，伯颜下令不要抢掠，并封存府库，登记钱谷。伯颜言明，将士不得擅自进城，敢于暴掠者，军法从事。在伯颜的保护政策下，临安的经济没有受到严重破坏，市场照常经营。
