汗宣布兵分三路南征南宋，蒙哥汗率军攻打四川合州（今重庆）、忽必烈攻打湖北鄂州（今武昌）、兀良合台由云南晏当（今云南丽江北部）直攻经过安南，进攻宋广南西路而直攻荆湖南路，并兵临潭州（今长沙），三军意图在华中会合，再大举下长江围攻临安。隔年蒙哥汗在合州的钓鱼城之战战死，忽必烈等人停止南征，北返夺位。西线方面，蒙哥汗派其弟旭烈兀西征西亚，史称蒙古第三次西征，1256年旭烈兀攻灭伊斯兰教的暗杀组织木剌夷。1258年西征军攻佔阿拔斯王朝最后领地美索不达米亚的巴格达。1260年佔领大马士革和阿勒颇。然而当旭烈兀得知蒙哥