戰役過程
進軍大理
1252年(蒙古憲宗二年、大理天定元年)九月，忽必烈奉命帶領將領兀良合臺等率軍十萬人，誓師啓程。
1253年(蒙古憲宗三年、大理天定二年)夏，忽必烈率大軍出蕭關(今寧夏同心南)，經六盤山集結於臨洮(今甘肅)，練兵備戰。同時，蒙哥命便宜都總帥汪德臣率軍入蜀，抵嘉定(四川樂山)，配合忽必烈行動。
九月，忽必烈督軍至忒剌(今甘肅迭部縣達拉溝)，分兵三路南進：兀良合臺率西路沿晏當路(今四川阿壩草原)而進;宗王抄合、也只烈率東路經茂州(今茂汶)趨會川(今會理西)以作牽制;自率中路經滿陀城(今四川漢源北)渡大渡河，沿古青溪道南下，穿行山谷1000餘公里，於十一月初進抵金沙江畔，遣使赴大理國招降。
大理國國王段興智拒絕招降，以丞相高泰祥率軍屯戍金沙江沿線，又遣將領高通率一部駐會川，抵進蒙古軍。
大理迎戰
1253年(蒙古憲宗三年、大理天定二年)十二月初，大理軍與蒙古中、西兩路軍對峙。兀良合臺部越旦當嶺(今雲南中甸境)入大理境，招降麼些部落(今納西族)，佔領三賧(今麗江)，從側後攻擊大理軍主力。
高泰祥見處境危急，匆忙退兵大理都城，馮堅固守。大理城東瀕洱水(今洱海)，西倚點蒼山，北、南有龍首、龍尾兩關爲屏障。高泰祥以重兵據咽喉要地龍首關迎戰。
蒙古中、東路軍先後渡金沙江與西路軍會師與龍首關，合力攻擊，全殲大理軍主力，乘勝與十二月十五日佔領都城。段興智、高泰祥潛逃。
安定秩序
忽必烈採納募臣姚樞建議，禁止妄殺，安撫百姓，穩定秩序，並遣軍攻佔附近堡寨，於姚州(今雲南姚安北)俘斬高泰祥。
蒙古軍滅大理後，忽必烈命兀良合臺繼續東征未降服的各部，命劉時中爲大理宣撫使，以穩定大理國的統治。忽必烈自己率軍北返。兀良合臺軍進克押赤城。段興智逃往昆澤(今宜良)，被蒙軍俘擄。經過兩年的激戰，又征服了赤禿哥國(即羅施鬼，今貴州西部)，羅羅斯(今四川西昌地區及涼山彝族自治州)，和自蠻波麗國(今元江一帶)。白蠻首領細嵯甫被擒。
兀良合臺征服大理各部後，遣使向蒙哥汗報捷，並將大理國主段興智、波麗國主細嵯甫等人作爲俘虜上獻。蒙哥採取懷柔政策，放他們回去繼續統治原屬各部。段興智感激蒙哥便獻出地圖，並親自領兵作前鋒，引導兀良合臺討平繼續抵抗的各部;又向蒙哥提出“治民立賦之法”，以鞏固蒙古對雲南的統治。
戰役結果
1254年(蒙古憲宗四年、大理天定三年)秋，兀良合臺率軍攻佔押赤城(今昆明)，俘降段興智，繼以段氏領所部兵2萬爲先鋒，攻克未附城寨，佔領大理全境。
戰役評價
此戰，是中國戰爭史上一次著名的遠征，忽必烈充分發揮蒙古騎兵的特長，揮軍直入數千裏，沿途招撫吐蕃首領、喇嘛，深遠迂迴攻佔大理國，出奇制勝，形成了對南宋的南北夾擊，對滅亡南宋起到了一定的作用，是中國戰爭史上遠程奔襲的著名戰役。
但蒙古軍也損失慘重，士馬死者數十萬，師至湖南，進攻力量大大減弱。
