蒙哥汗二年(1252年)六月,忽必烈到曲先腦兒(蒙語腦兒意為湖,蒙古駐夏之地)朝見蒙哥。蒙哥命忽必烈率軍征雲南。老將兀良合台(速不台之子)總督軍事,士人姚樞、劉秉忠等人隨行參謀。
雲南地區早在唐代就由南昭國(烏蠻族即今彝族建立的政權)統治。宋時白蠻族(今白族)取得政權,建立了以大理(今雲南大理)為都城的大理國。統治區域包括今雲南、貴州、廣西西部和四川南部,以及緬甸、泰國、老撾的一些地區。主要民族為烏蠻和白蠻。其他的還有摩些(今納西族)、和泥(今哈尼族)、金齒、白夷(今傣族)等,再加上與各少數民族雜居的漢族。這時大理國事衰微,內政腐敗,階級矛盾尖銳。有些地區的少數民族正逐漸擺脫大理國的統治。
同年秋,忽必烈從蒙古起兵南下。第二年夏,忽必烈率軍駐屯六盤山,秋天,軍至臨洮(今甘肅臨洮),取道吐蕃(今四川甘孜藏族自治州地區),到達忒剌(今四川鬆潘),然後分兵三路前進。兀良合台率軍由西路晏當(今雲南麗江北部)進;諸王抄合、也隻烈率東路軍由白蠻境(今西昌、會理境)進;忽必烈自己帶領中路軍,經大雪山,過大渡河,穿行山穀二千餘裏,抵達金沙江北岸。忽必烈軍隊分別招降大理以北四百餘裏的摩些蠻等部。冬天,西路軍進到此會合。忽必烈派使者入大理招降。大理國拒絕投降並殺死蒙古使臣。忽必烈與兀良合台分兵進攻大理。兀良合台破大理北的龍首關(上關)。大理國主段興智與權臣高祥、高和兄弟棄城逃跑。忽必烈軍與兀良合台會合,順利進入大理城。
忽必烈命姚樞裂帛為旗,寫上禁止殺戮的命令,大理居民得以保全。他又命姚樞等搜訪大理國圖書典籍。這時東路兵取道吐蕃,也到達大理。忽必烈命人追擊高祥兄弟,擒斬於姚州(今雲南姚安)。
蒙哥汗四年(1254年)春,忽必烈率軍北返,留下兀良合台率軍戍守大理,並繼續征服未降伏的諸部。任命劉時中為宣撫使,對雲南地區進行治理。秋,兀良合台繼續向東追擊段興智,進取善闡(又稱押赤即今雲南昆明)。善闡城陷。段興智逃到昆澤(今雲南宜良),終於被蒙軍擒獲。兀良合台遣送段興智等首領去蒙古見蒙哥。蒙哥施以懷柔,賜金牌,讓他們回去繼續管理原屬各部。段興智回部後,獻出地圖,並統率本族軍隊,親自為先鋒,引導兀良合台去征服繼續抵抗的各部。蒙古軍經過兩年的激戰,相繼征服了赤禿哥(今貴州西部)、羅羅斯(今四川涼山彝族自治州地區)和白蠻波麗國(今元江一帶)。從此,大理五城的八府四郡之地,和大部分烏蠻、白蠻部歸附於蒙古。兀良合台在雲南設置統治機構,管理這一地區的事務。
忽必烈用武力征服了大理,通過征服,統一了大理各部。以後又按中原的封建製度設置郡縣,並在大理屯田,不斷推廣中原地區先進的生產技術,傳播科學文化,使雲南地區的經濟、文化不斷進步,對我國多民族國家的形成和發展產生了積極的作用。