1251年7月1日，忽必烈長(zhǎng)兄蒙哥登基成為大蒙古國(guó)皇帝即蒙古帝國(guó)大汗，是為元憲宗，因?yàn)楹霰亓以诿筛绲耐傅苤小白铋L(zhǎng)且賢”，蒙哥即位后不久即任命忽必烈負(fù)責(zé)總領(lǐng)漠南漢地事務(wù)，忽必烈在這段時(shí)間內(nèi)任用了大批漢族幕僚和儒士，如劉秉忠、許衡、姚樞、郝經(jīng)、張文謙、竇默、趙璧等等，并提出了“行漢法”的主張。

儒士元好問和張德輝還請(qǐng)求忽必烈接受“儒教大宗師”的稱號(hào)，忽必烈悅而受之，忽必烈尊崇儒學(xué)，“圣度優(yōu)宏，開白炳烺，好儒術(shù)，喜衣冠，崇禮讓。”

1252年，宋軍攻打河南邊地，忽必烈請(qǐng)準(zhǔn)蒙哥在河南設(shè)經(jīng)略司，蒙哥任命史天澤、楊惟中、趙璧為經(jīng)略使，6月，忽必烈前往草原覲見蒙哥，奉命率軍征云南。

1253年，蒙哥分賞諸王，忽必烈得到京兆封地，忽必烈建立京兆宣撫司，忽必烈率領(lǐng)大軍在六盤山度夏，秋天，大軍經(jīng)過臨洮進(jìn)入藏族地區(qū)，到達(dá)忒刺(今四川松潘)地方，8月，忽必烈率軍從陜西出發(fā)，進(jìn)攻位于今云南等地的大理國(guó);1254年1月2日，忽必烈攻克大理城，國(guó)王段興智投降，忽必烈滅大理國(guó)，云南地區(qū)并入大蒙古國(guó)版圖。

1256年，忽必烈又增受懷孟州封地，1256年夏天，以南宋扣押蒙古使者為理由，蒙哥正式宣布了攻擊南宋的意向，忽必烈勢(shì)力的發(fā)展，引起蒙哥的疑忌。

1257年，蒙哥命阿藍(lán)答兒等在關(guān)中設(shè)鉤考局，查核京兆、河南財(cái)賦，阿藍(lán)答兒等從河南經(jīng)略司、京兆宣撫司的官員中，羅織一百余條罪狀，旨在除滅忽必烈所信用的官員，削弱他的勢(shì)力，十二月，又親自去朝見蒙哥。蒙哥見忽必烈來朝，相對(duì)泣下，要他不必再作表白。

1258年農(nóng)歷七月，蒙哥率大軍攻入四川北部，一路所向披靡，攻克四川北部大部分地區(qū)，1259年初，在合州城下攻勢(shì)受阻。

1258年11月29日，根據(jù)蒙哥的旨意，忽必烈在開平東北行祭旗禮，正式出兵啟行南下攻宋，于次年8月2日，忽必烈率軍抵達(dá)河南汝南，繼續(xù)向南宋進(jìn)發(fā)，并派命楊惟中、郝經(jīng)宣撫江淮。

1259年9月3日，忽必烈統(tǒng)領(lǐng)中路軍渡過淮河，攻入南宋境內(nèi)，隨后一路向南，在湖北開辟新的戰(zhàn)場(chǎng)，進(jìn)攻長(zhǎng)江中游的鄂州。