灭亡之后，时任蒙古大汗窝阔台决定攻打南宋，四川多次被蒙古军攻占和南宋收复，直到蒙哥汗八年（1258年），蒙哥与其弟忽必烈和大将兀良合台分三路大举进攻南宋。蒙哥亲率主力征四川，次年，在攻打合州时，蒙哥汗病亡。元朝初期四川地隶属于陕西等处行中书省。忽必烈中统元年（1260年），立秦蜀行省（也称陕蜀行省等）于京兆。中统三年，改立陕西四川行中书省，治所在京兆。至元三年（1266年），移治利州。十七年，复还京兆。十八年（1271年），分省四川，寻改立四川宣慰司。二十一年，仍合为陕西四川行省。二十三年（1286年）