与此同时，北方强大的蒙古部落却迅速兴起，并不断对外发动战争。在南下消灭了西夏和金国以后，它又将进攻的矛头直指偏安江南的南宋。蒙哥即位后，积极进行侵略南宋的战争准备。1252年，宪宗蒙哥派忽必烈率军南侵大理，以速不台子兀良合台总军事。计划在征服大理后，一方面可以利用西南少数民族军队增强侵宋的兵力，另一方面可以从背后包抄夹攻南宋的长江中游地区。参加忽必烈这次远征的，除了精锐的蒙古军队外，还有投降蒙古的汉族地主武装和色目人的军队。忽必烈还特别选择几个善于谋略、富有政治才能的汉族地主知识分子，如姚枢、刘秉忠、张文谦等从行参谋。这些参谋们建议忽必烈要采用怀柔政策，而不要多杀人。这年暮秋，忽必烈从蒙古起兵南下。
1253年夏，忽必烈驻扎在六盘山，等到诸军齐集，粮饷、器械准备充足，即于秋天进至临洮，取道吐蕃向大理进发。蒙古军师在忒剌（今四川松潘）稍加休息，然后分兵三路前进。这次出征的主要目的是征服大理，随后从南面合兵攻宋。只是由于四川这时还在南宋手里，不得不绕过路途艰险的吐蕃境，但这一次的进军吐蕃，在元代历史上却有着十分重大的意义。虽然在战略计划上仅是假道，然而实际上它本身就是一次与征服大理有同样地位的规模很大的军事行动。这个时代，吐蕃正处在四分五裂的状态，忽必烈军经过吐蕃东部（今四川甘孜藏族自治州）时，藏族人民的生产和生活都受到极大危害。忽必烈进军其地，攻下许多城寨，穿过了雪山，分裂割据的吐蕃封建主们都不得不陆续投降强有力的蒙古统治者，使这个地区统一到蒙古的统治之下。事实上，元朝有些史料确实是把它与征服大理相提并论的。可惜因为在吐蕃境内的征战留下的记载绝无仅有，后人无法了解这个重大事件的详细过程。
1253年初冬，兀良合台西道军和忽必烈中道军穿过吐蕃，进入大理，在金沙江分别降服了大理北面四百余里的麽些蛮各部，麽些诸部酋长唆火脱因、塔里马、麦良等向蒙军投降，但也有一些麽些部落坚持抗战。忽必烈从这里遣使到大理招降，但使臣为大理国所杀。忽必烈与兀良合台又分军继续前进，攻下了大理国西部白蛮诸寨栅。许多白蛮部落都十分顽强地抵抗入侵之敌，直到寨栅被攻破。当忽必烈军包围了大理城时，西道兀良合台军亦至，取大理北部的龙首关，同攻大理城。大理国王段兴智与权臣高祥、高和兄弟背城出战，大败，忽必烈招之不降，他们弃城逃跑，大理城陷。忽必烈因其杀使，本欲屠城，幸亏汉人参谋张文谦等劝止，即命姚枢裂帛为旗，写上止杀的命令，传示于城内各街巷，大理人民始得免遭屠杀。忽必烈还命姚枢等搜访大理国图籍。东道兵这时也到达大理与大军会合，又从大理分军追击高氏兄弟，获之，斩于姚州（今云南姚安）。
1254年春，忽必烈留下兀良合台率军戍守大理，并继续征服大理境内未附诸部，又任命刘是中为宣抚使，然后率军北还，复经吐蕃境，回到关中。1254年秋，兀良合台领兵继续向东进取段兴智据守的押赤（今云南昆明）。蒙古军以精锐部队攻城，发炮摧毁城门，并纵火攻之，用尽各种办法仍然没有打下。押赤军民坚持了七天的抗战，终因力竭，城陷。段兴智逃至昆泽，被俘。1255年，兀良合台遣送段兴智与其季父去蒙古见蒙哥汗。蒙哥用怀柔政策，不杀，并赐金符使归国，协同蒙古所委官员、将领安抚继续征服未附诸部。段兴智归国后，又献地图，统率本族军队帮助蒙古征服国中坚持抗战的各部落。蒙哥重新赐以“摩诃罗嵯”的称号，命其管理云南各族。
国王虽然投降，但大理各族人民仍然依阻山谷，坚守城寨，进行抗战。1255年，兀良合台在攻下押赤府诸城后，命其子阿术领兵进取赤秃哥（今贵州西部）、罗罗斯（今四川凉山地区）等地。经过近两年的战争，蒙古才陆续征服了大理五城、八府、四郡之地和大部分乌蛮、白蛮部落。兀良合台在大理境内设置十九万户府，万户下分设千户、百户分管其地。1256年，蒙哥命兀良合台取道北上，与四川蒙古军会合。兀良合台遂领兵出乌蒙（今云南昭通），破秃剌蛮三城（今四川筠连一带），抵马湖江（今四川宜宾西南），败宋兵，进至合州（今四
川合川），会师后还镇大理。1258年蒙哥大举攻宋，复命兀良合台率军北上，定于次年正月会师长沙，实施其从云南包抄南宋的原定计划。——忽必烈建立元朝大理人民的顽强抵抗，使蒙古军遭到很大损失。《史集》记载说，忽必烈与兀良合台率十万大军征云南，因为该地气候潮湿恶劣，军中疾病流行，加上大理国“居民极多、军队众多，因而每至一处，都遇到抵抗。因为这两个原因，十万军队得生还者不到二万人”。蒙古用武力征服了大理，并通过征服，又统一了大理各部。后来又按照内地制度设置郡县，使云南统一于元朝中央政府管辖之下，并在大理进行屯田，推广先进的汉族生产技术和文化。
名家回眸
忽必烈平定大理这一战役，对于忽必烈来说是非常重要的一次战争，这次战争使忽必烈取得了极高的军事声誉，为他成功地夺取汗位奠定了基础。忽必烈第一次军事远征取得的全面胜利，用事实向蒙古亲贵们展现了自己的军事能力。这次征战在历史上也具有重大的意义。云南自8世纪中叶南诏割据以来，历经五百余年的历史，至此才真正与祖国内地复归于统一。这对我国多民族统一国家的发展，对云南地区经济、文化的进步，都有着重要的积极意义。
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