1270年，宋以李庭芝为京湖制置大使，督师援救襄樊。范文虎倚恃其岳丈贾似道的势力，不听庭芝约束。2月，襄阳出步、骑兵万余人，兵船百余艘，进攻万山堡，被蒙古万户张弘范打败。蒙古派刘整在襄樊前线造战舰五千艘，训练水兵七万人。又采纳张弘范的建议，加强襄、樊外围的城栅堡垒，围困宋军，襄樊与外地水陆交通彻底中断。
1271年4月，宋范文虎与蒙古阿术战于湍滩，宋军失败，统制朱胜等百余人被蒙古俘获。宋军进援襄阳的计划失败。5月，蒙古以东道兵围襄樊，其余分路征讨，以牵制宋军。6月，范文虎再次率领卫卒及两淮舟师十万人进至鹿门，救援襄樊，又被蒙古军打败。范文虎连夜逃走。
11月，忽必烈采用刘秉忠（即僧子聪）的建议，取《易经》“大哉乾元”之意，改国号为大元，正式建立起元朝的统治。随后元朝加紧对南宋的进攻。1272年3月，元阿术、刘整等攻破樊城外廓，宋守将坚闭内城，阿术等再增筑重围控制樊城。
从1267年冬起，蒙古军围攻襄阳、樊城至今已有5年。襄、樊两城夹汉水对立，汉水上有浮桥，两城可相互声援。城中所储备的粮饷都可支用数年，沿长江上游的商旅还可以取道襄阳之南，供应襄、樊守军一些必需的物资，两城的守将利用这些条件长期固守，蒙古军队断绝襄、樊与外界的联系之后，宋朝外部援军无法攻破敌军的封锁。襄阳守将吕文焕竭力拒守，城中只剩下粮食还可以维持供应，而盐、薪、布帛等却严重缺乏。张汉英守樊城，同样处于危机之中，他招募一名善于游水的兵士，将蜡书藏于头发里，自己潜埋于积草下面，游水出城去求救援兵，并指引宋军自荆、郢方面入援。结果在水中被元军所俘，襄樊南路荆、郢，北路邓州都已断绝联系。南宋下诏京湖制置使李庭芝移屯郢州（湖北钟祥），军队全部屯驻新郢及均州、河口一带，扼守要津。李庭芝在襄樊西北部的均州、房州督造轻舟百余艘，并招募敢死士三千人，由民兵部辖张顺、张贵统领，溯汉水入援襄阳。宋军突破了元军的封锁，张顺战死，张贵进入襄阳城。城中百姓得知后，精神振奋，勇气倍增。后来张贵返回郢州，迎接援军，中途与元军力战被俘而死。
1273年正月，元军截断襄樊之间的浮桥，清除河水中的障碍，集中兵力围攻樊城，樊城陷落，宋守将范天顺自缢。其部将牛富率敢死士百人继续巷战，元军死伤也不计其数，但终因寡不敌众，牛富赴火死。
襄阳久处围困之中，更加孤立无援，吕文焕每次巡视宋城将士时都恸哭而回。他屡次向朝廷告急，权臣贾似道表面上奏请皇帝，要求行边，指挥军事，而暗中却指使台谏上章挽留自己。樊城已破，襄阳危机日甚，朝廷置之不管。元军开始用回回人亦思马因所造的巨炮攻城，吕文焕被迫出降。至此，经过了五年多的攻守，元军夺取了襄、樊二城。南宋门户大开，形势急转直下。
1274年6月，忽必烈下诏攻宋，以左丞相，河南行省伯颜为元帅，在襄阳会师后，水陆并进，向南宋都城临安进发。伯颜与阿术沿汉水至郢州时，遭宋将张世杰阻截。张世杰将位于汉水北的郢州与汉水南的新郢连结起来，在水中密植战舰、木石等，隔断元军水上通路。伯颜舍弃郢州，由藤湖入汉水。10月，元军攻陷沙洋（湖北钟祥南）、新城。11月，伯颜军进逼复州（湖北天门），知州翟贵投降。12月，伯颜至阳罗堡（武汉东），打败宋夏贵的军队，接着汉阳军（武汉市汉阳）以及鄂州等投降元朝。元军顺江东下时，吕文焕曾献攻郢之策，并愿为先锋，沿途他招降了各地旧部。
7月，南宋度宗死，年仅4岁的赵显即位，是为恭帝。宋以贾似道都督诸路军马，在临安开督府。又以高达为湖北制置使。
1275年正月，宋吕师夔以江州（九江）降元，伯颜遂以师夔知江州。宋知安庆军范文虎也以城降元。刘整曾经与吕文焕俱为伯颜大军的向导，后来伯颜命令刘整率军出淮西，进攻无为军。刘整久攻不下，当得知吕文焕先立了头功，竟愧愤成疾，死于无为城下。而贾似道却害怕刘整，总是不敢出师，及听说刘整死，才上表出师，率军进至芜湖。贾似道也遣人与吕师夔沟通，打算与元军议和。2月，元兵攻池州（安徽贵池），知州王起宗逃走。贾似道以精锐兵力七万余人隶属于孙虎臣，让他屯驻于池州下流丁家洲，夏贵以战舰二千五百艘横亘于江中，贾似道率领后军驻于鲁港（芜湖西南）。宋与元军在丁家洲至鲁港一带交战。由于夏贵在鄂州失利，更无斗志，孙虎臣刚与元军。接战就率先乘船欲逃，军中大乱，夏贵见状不战而走，并报告贾似道说：“敌众我寡，势已不支。”贾似道闻听后鸣金收军，大败而逃。元军顺势而下，临安告急。朝廷征诸将勤王，多有不至。只郢州守将张世杰率兵入卫，收复了饶州。知赣州文天祥也领兵进入临安。
建康、太平（安徽当涂）、和州（安徽和县）相继降元后，伯颜于3月率军入建康。镇江、常州、平江府（今苏州）先后降元。宋以陈宜中为右丞相兼枢密使，开督府。以张世杰总领都督府诸军。而临安的朝官纷纷外逃。4月，元军攻扬州，宋李庭芝、姜才坚守不屈。7月，张世杰率水军与元军在镇江焦山会战，世杰大败。9月，贾似道被贬谪往循州（广东龙川），行至漳州时被杀。
1276年2月，元军入临安，恭帝赵显及谢、全两太后并宋朝官吏等被俘北去。此前，文天祥以右相入元营谈判，被扣留。闰3月，陆秀夫、张世杰、陈宜中于温州奉9岁的益王赵罡为天下兵马大元帅；以6岁的广王昺为副元帅。文天祥被扣北上至镇江，于3月29日从元营中逃出。4月南下至温州。5月，赵罡在福州即位，是为端宗。7月，文天祥开府于南剑州（福建南平），经略江西，号召四方起兵。李庭芝、姜才自扬州转战至泰州，城破，不屈而死。10月，文天祥移兵汀州，11月；元军进入福建，陈宜中，张世杰等奉皇帝赵罡乘海船南走。
1277年，文天祥移军至漳州。2月，宋广东诸郡降元。3月，文天祥收复梅州，4月入江西，收复吉、赣诸县。至1278年12月，文天祥转战到广东海丰北的五岭坡时，终因寡不敌众，被元军俘获。元将张弘范要他写信招降张世杰，文天祥抄写了旧作《过零丁洋》诗，其中有“人生自古谁无死，留取丹心照汗青”，以此表明心志。后来他在元大都被囚禁三年，在狱中写下了著名的《正气歌》，表现出了坚贞不屈，大义凛然的民族气节。1283年，文天祥在大都柴市被杀害。
1278年4月时，宋端宗赵罡死，陆秀夫等立赵昺为帝。文天祥被俘以后，元朝蒙古、汉军都元帅张弘范领兵于1279年正月进至厓山。2月，宋元海军在崖山决战，宋军大败，陆秀夫背着8岁的幼帝投海而死。张世杰退至海陵山（广东阳江县南海中），遇风坏船，堕海而死。南宋灭亡。南宋历九帝，自1127年至1279年，共153年。
元朝灭亡南宋后，实现了中国的大统一。元朝的统一，结束了唐末五代以来军阀割据以及辽、宋、夏、金等南北政权对峙的分裂局面，对中国的历史和中华民族的发展都有着重大意义。首先是元朝初步奠定了中国疆域的规模。元朝的疆域空前辽阔，北逾阴山，西极流沙，东尽辽左，南越海表。西藏正式成为中国领土，元在云南设置了行省，还通过澎湖巡检司管辖澎湖和台湾。这是中国政府在台湾正式建立的行政权力机构。西沙群岛和南沙群岛自古就是中国领土。北宋时中国海军已在那里巡逻。元朝将其隶属于湖广行省。1279年，忽必烈曾派人去西沙群岛进行天文测量。元朝在忽必烈全盛时期的疆域，大体上也就是后来清朝乾隆全盛时期的疆域。这个疆域的形成，是中国历史发展的必然结果，也是和蒙古帝国及元朝时的统治者积极活动分不开的。其次，元朝的统一，为南北方经济的恢复、交流和进一步的发展准备了条件。第三，元朝的大统一，在中华民族多民族大家庭的发展上占有尤其重要的地位。元朝是我国历史上由国内少数民族第一次完成全国规模统治的朝代。由于蒙古族统治者入主中原，一大批少数民族也都先后涌入内地。其中包括从西域东来的回回人、阿儿浑人、康里人、钦察人、阿速人以及斡罗思人。与此同时，大批的汉人被遣发到边境少数民族地区，这有利于民族间的融合和共同发展。第四，元朝统一也推动了科学文化的发展，促进了中外文化交流。
