1268年，阿术着手围攻襄阳和樊城这两个控制着湖北境内汉水下游流域的城市。这一著名的围攻战持续了5年（1268—1273年），充满着许多英勇抵抗的事迹，如两名英勇的中国将领张贵和张顺，受命由水路增援襄阳，在执行任务中壮烈牺牲（1271年）。襄阳守将吕文焕进行了顽强的抵抗。后来（1272年），阿里海牙从美索不达米亚带来了两位著名的穆斯林工程师：毛夕里的阿拉丁和希拉的伊斯迈尔，用他们带来的攻城武器终于粉碎了被围困的居民们的抵抗。樊城于1273年2月被攻占，吕文焕被宫廷阴谋弄得心烦意乱，于同年3月以襄阳城投降蒙古人。
当时，蒙古人在控制着汉水下游，伯颜和阿术沿长江而下于1275年成功地征服湖北东部要地（汉阳、武昌、黄州），安徽要地（安庆、池州、芜湖、太平和宁国）和江苏要地（南京、镇江）。 接着，伯颜进入浙江，占常州，抵达宋都、大城市临安。摄政皇后于1276年1－2月惊恐地把临安让给了元军。1276年2月4日，攻陷南宋首都临安（今杭州），俘虏5岁的宋恭帝和谢太皇太后，以及南宋宗室和大臣，灭南宋，元朝成为全国性政权。
1276年2月25日，伯颜把小皇帝带到忽必烈面前，忽必烈待他很好。南方仍有待元军去征服，那儿的南宋人坚持顽强抵抗。阿里海牙攻占湖南的重要城市长沙和广西的桂林（1276年）。当时忽必烈被迫在蒙古与反叛他的同族人作战，这一战争使南宋主战派将领们得到短暂的喘息，他们企图在福建和广东沿海重建政权。但是，蒙古人在速客秃将军的率领下重返中国，依次占领福州和泉州（1277年）、港口（1277年占广州，1278年占潮州）。南宋的最后一批“爱国者”在英勇的张世杰的率领下，带着新立的9岁的宋朝小王子宋帝昺，在海上的船中避难。1279年4月3日，在广州西南屋山附近受蒙古水军攻击，船毁（或者是被占领，或者是被击溃）小宋帝昺溺水而死。
包括南宋在内，西夏（今甘肃、宁夏省）、金朝（今俄罗斯远东地区、中国黑龙江、辽宁、内蒙古诸省）、西辽（今吉尔吉斯斯坦/新疆、中亚）、吐蕃（今西藏、四川西部、缅甸、越南北部）、高丽（今朝鲜、韩国两国）的今中国全境第一次落入突厥－蒙古族征服者手中。这是5世纪的拓跋氏突厥人和12世纪的女真氏通古斯人都没有实现的事业，忽必烈最终完成了。正是他实现了10个世纪以来“所有居毡帐”民，即世世代代的游牧民们，所抱有的朦胧梦想。草原上漫游的牧民们，即“灰狼和红色雌鹿的所有子孙们”，随着忽必烈一起，最终成了中国——整个亚洲定居农民中人口最稠密的地区——的主人。
然而，征服是缓慢的，足以抵销它所产生的坏影响。确实，尽管这位游牧民的后代忽必烈可能征服了中国，然而，他本人已经被中国文明所征服。因此，他能够认识到其政策的始终如一的目标：成为真正的“天子”，使蒙古帝国成为中国帝国。实现这一目标的路敞开了。宋朝一灭亡，他就成了具有15个世纪悠久历史的帝国的合法君主。他的王朝，取名为元朝（1271－1370年），只希望追随以往的22个中国王朝的步伐。中国化的明显标志是：“忽必烈从阿里不哥手中夺回哈拉和林后，从来没有到那儿去住过。1256－1257年，他选择今察哈尔东、多伦诺尔附近的上都府为夏季驻地建了一群宫殿。1260年，改中都为大都（今北京）建都。1267年，他开始在原金朝中都的东北营建新城，他称之为大都，即“伟大的都城”，也被称为“可汗之城”，西方游人称“汗八里”。它成为蒙古君主们的冬季驻地，而上都府仍是他们的夏季驻地。
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