自1207年起，蒙古开始对称臣于金的西夏发动试探性进攻，并于次年直接攻取了金的昌、桓、抚三州，击破金国30万大军。1214年，蒙古骑兵拿下金之中都（即昔日的燕京），在河北、河东一带如入无人之境。无计可施的金宣宗不得不下令迁都汴京（开封），把昔日的战利品北宋腹地作为最后的战略根据地加以经营。自开禧北伐以来已成惊弓之鸟的南宋君臣，此时终于直起了腰杆。嘉定七年（1214），在朱熹的门徒真德秀建议下，宋宁宗决定停止向金支付每年60万的岁币。
金军在三年后出兵南侵，接连夺取西和州、成州、凤州等地，但在襄阳、枣阳被南宋守军击败。此时成吉思汗正忙于西征，无暇顾及中原之地的变局。但到1226年蒙古大军返回东方之后，立即屠灭了苟延残喘的西夏。此后由于成吉思汗病逝，蒙古各部一度群龙无首，但在1229年的哈拉和林（大斡耳朵）大呼拉尔台上，成吉思汗的第三个儿子窝阔台被推举为大汗，重新开始了对金的战争。此时的金由于屡遭重创，疆域已经缩小到潼关以西、黄河以南一块极小的版图内。

1232年夏，蒙古大军包围开封，同时向南宋派去使臣，商量合力击灭金国之事。此时的宋人仿佛早已忘却宣和年间海上之盟的往事，再度兴奋了起来。权臣史嵩之振振有词地表态：“徽、钦二帝与列祖列宗所受的屈辱犹在眼前，倘不能抓住此良机，实乃不忠不义之举！”两万宋军迅速北上，与蒙古人一起包围金国行在蔡州，还送给对方30万石军粮。1234年正月，立国120年的金朝在蔡州灭亡，宋蒙两国成为中原最后的逐鹿者。
仿佛旧日重现，金国灭亡之后的南宋，浑然不觉占据华北的蒙古已经成为第一大威胁。相反，为争夺人望，宗室重臣、扬州知事赵范企图利用蒙古军主力北撤之后的战略真空，一举光复河南之地和故都开封。端平二年（1235），20万宋军渡淮河北上，进入昔日的西京洛阳，史称“端平入洛”。但宋人惊讶地发现，经过蒙古铁骑的一轮劫掠，这座繁华的都市已经仅剩300户居民，米粮全无。

入夏之后，蒙古军突然自潼关杀出，进入洛阳的宋军主力一触即溃，双方正式进入准战争状态。不过由于此际蒙古人再度出兵西征，窝阔台又在1241年病逝，南宋尚有几年喘息之机。到1258年春天，成吉思汗之孙蒙哥出任大汗之后，令其弟忽必烈率军出兴元府，绕过宋军重兵把守的襄阳、沿汉水东进；蒙哥本人则南下合州（今重庆合川），沿长江东进，准备与忽必烈在鄂州（今武汉）会师，然后顺流东下、直取临安，彻底灭亡宋朝。
这一回，蒙古人碰了一个不大不小的钉子。“端平入洛”后，南宋深知蒙古人必出兵报复，从1243年起陆续在川东、川东北和川南的山丘上修建了21座要塞，作为阻挡蒙军抵达长江一线的防线。蒙哥的第一记拳头，正打在合川的纵深防御要塞钓鱼城上。1259年初，7万蒙古军齐集钓鱼城下，用云梯、锤车、投石机和炸药猛攻不止，但由于宋军占据制高点，且防线正面极为狭窄，蒙古人并未取得成效。当年入夏后，蒙哥本人在登高查探守军虚实时被宋军的石炮打中，不久即伤重死去。

此时，忽必烈正在猛攻鄂州，闻讯急欲回师与弟弟阿里不哥争夺大汗之位。因此他卖了个人情给总领鄂州军务的南宋外戚重臣贾似道，以长江为界、宋朝向蒙古称臣、每年纳岁币40万为条件达成了临时停战协议，随后率师北返。而贾似道对双方议定的条件秘而不宣，反而添油加醋地在宋理宗面前伪造出前线大捷、蒙古军被击退的假情报，一跃成为朝廷最倚重的实权大臣。
钓鱼城下的一炮，意外地为南宋创造了将近20年的喘息时间，但真正利用好这一时间的却是蒙古人。忽必烈在1260年春天的开平呼拉尔台上如愿当选为大汗，随后相继击败阿里不哥等人的叛乱，平定了北方。随后他派谋士郝经出使南宋，去收取此前与贾似道约定好的岁币。后者唯恐牛皮露馅，将郝经软禁在真州军中，秘而不宣。

1267年，忽必烈再度挥师南下，对长江桥头堡襄阳发起了长期围困战。而贾似道依然在新即位的度宗面前粉饰太平，歌舞升平不断。1270年和1271年，蒙古军两次击退增援襄阳的南宋水军；1273年开春前，南宋守将吕文焕眼见事不可为，开城宣布投降。在那之前两年，忽必烈已经将蒙古的国号改为“元”。
襄阳沦陷之后，蒙古水军沿长江东进已呈势如破竹之势。德祐元年（1275），贾似道终于亲率13万大军抵达芜湖，与伯颜统率的元军主力做最后的决战。在敌军步兵和骑兵的协同冲锋下，7万南宋陆军一触即溃，长江上的2500艘战船亦陷入混乱之中，一天之内就宣告战败。

芜湖之战惨败之后，南宋君臣才获知郝经已经在真州被扣16年的骇人事实，立即将其释放，并将贾似道流放岭南。但忽必烈并无意对临安朝廷的“歉意”表示温情：在两次招降未果之后，伯颜的大军在1276年正月攻入浙江，距临安仅咫尺之遥。当年三月，主持朝政的太皇太后谢氏（宋理宗皇后）向伯颜献上降表，随后与4岁的恭帝赵㬎一起被送往大都。与百年前的徽、钦二帝相比，南宋亡国之君获得的待遇多少有所改善，但作为正统王朝的宋至此已宣告灭亡。
但宋帝国三个世纪的养士传统，终究在最后时刻爆发出了格外耀眼的光芒。临安城破之后，6岁的皇兄益王赵昰和4岁的皇弟信王赵昺在国舅杨亮节保护下从城内逃出，辗转抵达温州。陆秀夫、文天祥等忠臣在此地奉益王为天下兵马都元帅，接着将这个流亡小朝廷迁往福州，在那里正式奉赵昰为帝，改元景炎，史称宋端宗。

1276年夏天元军攻入岭南后，端宗一行军民近50万人随枢密副使张世杰乘船入海，企图驶往泉州避难，但被阿拉伯血统的市舶司（海关关长）蒲寿庚所拒，被迫在潮州、东莞一带徘徊竟年。
1278年3月，端宗乘坐的御舟在井澳海面被台风打翻，8岁的小皇帝落水后患上重病，于两个月后死在一个无人岛上；群臣遂又拥戴6岁的赵昺为帝，改元祥兴。
率领陆路义军在岭南一带转战的文天祥闻讯赶往潮阳，企图与张世杰等人会合，但在海丰附近被元军击败俘虏。元朝水军统领张弘范将他带到战船之上，驶向与张世杰最后的决战地崖山（今广东省江门市新会区南部）海面。巧合而残酷的是，张世杰是出生在易州的北方汉人，其家乡正在宋人曾念念不忘的燕云十六州境内。

祥兴二年二月六日（1279年3月19日），宋元战争史上最后的战略决战在崖山爆发。张弘范巧布奇兵，利用涨潮之机发动突袭，大破笨重不良于行的宋军战船。左丞相陆秀夫背负7岁的少帝赵昺投海殉国，张世杰率18艘战船勉强突围，企图退往安南再兴义军。四月八日，舰队在今阳江市西南端的海陵岛暂避时遭遇台风袭击，张世杰拒绝登岸自保，独自屹立于船楼之中。“舟遂覆，世杰溺焉，宋亡。”
惨烈而悲壮的崖山之战，成为中国乃至东亚文明史上浓墨重彩的一笔。以致有所谓“崖山之后，已无中国”之说，认为这标志着汉民族5000年历史上的第一次全面亡国。全世界首屈一指的工商业大国、贸易大国、文化强国，在蒙古的铁骑和水军面前竟如此不堪一击，成为此后历代中国知识分子难以磨灭的惨痛记忆。直到20世纪初近代中国面临亡国灭种的危机之时，中国作家犹常以宋末抵抗运动的故事自况，以振奋人心。
至于那位写下不朽诗篇的文天祥丞相，他在忽必烈的监狱中继续待到了至元十九年（1282）十二月，依旧不肯投降。是月九日，他在柴市刑场就义。人们收敛他的遗体时，在衣带中发现了一首短诗：
孔曰成仁，孟曰取义，唯其义尽，所以仁至。
读圣贤书，所学何事？而今而后，庶几无愧。

宋廷坑苦了好多忠臣良将