月，忽必烈亲自率领军队到达临兆，九月，抵达忒剌。然后，忽必烈把自己的军队分为三部分，分别是兀良台率领的西路军和诸王抄合、也只烈率领的东路军以及忽必烈自己亲自率领的中路军。
由于四川中南部的大部分地区依旧是被南宋所控制，所以这三路蒙古大军只能绕道而行，穿越人迹罕至的吐蕃东部地区，艰难跋涉。这段艰苦的历程让所有行军的人都苦不堪言，忽必烈的谋士姚枢曾因骑着马行走千余里而暴瘦，在经过雪山时，山路十分曲折，包括忽必烈在内的所有人员全部下马步行，患有脚部疾病的忽必烈不得不叫郑鼎等人背着前进。终于，在1253年10月，忽必烈的大军顺利渡过了大渡河，军队在山谷中行进了两千余里地，忽必烈亲自率领军队走在最前面。
在进入大理国的国境，行进到金沙江的岸边时，忽必烈情不自禁的骑马立在江边巨石上，俯瞰江水，在欣赏着美丽景色的同时雄心勃勃，期盼着能够顺利攻下大理。士气旺盛的蒙古军队乘坐皮革木筏渡过了金沙江，一鼓作气的攻打下了许多的城市。
十二月，忽必烈亲自率领的中路军率先包围了大理城，西路军也在攻克下龙首关后，抵达大理城。
大理城依山傍海，城池十分的坚固，忽必烈曾派玉律术、王军候等为使者，前去说服大理进行归降，但是这些使者去了就没有再回来，从此没有任何的音讯，这也使得大理和蒙古之间结下了很多的仇恨。在收到忽必烈攻入大理的消息之后，大理国国王段兴智和权臣高祥率领一部分人准备逃走，忽必烈派大将也古领兵前去追捕，将高祥杀死在姚州。
蒙古军在进城之后，忽必烈便命令姚枢等人查看大理国的图书典籍，在搜查的途中看到了三位使者的尸体，忽必烈在听到这个消息后非常生气，一度想要屠城，但是张文谦、姚枢等人极力反对，并对忽必烈说：“杀使者、抗拒你的命令的是他们的国主，并不是民的罪啊。”忽必烈听后觉得很有道理，就没有继续屠城。随后忽必烈命人写了祭奠文，用来表达自己的哀思之情。另外又赐给他们每人数十户民，用来抚恤死者的家属。
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