战役过程
进军大理
1252年(蒙古宪宗二年、大理天定元年)九月，忽必烈奉命带领将领兀良合台等率军十万人，誓师启程。
1253年(蒙古宪宗三年、大理天定二年)夏，忽必烈率大军出萧关(今宁夏同心南)，经六盘山集结于临洮(今甘肃)，练兵备战。同时，蒙哥命便宜都总帅汪德臣率军入蜀，抵嘉定(四川乐山)，配合忽必烈行动。
九月，忽必烈督军至忒剌(今甘肃迭部县达拉沟)，分兵三路南进：兀良合台率西路沿晏当路(今四川阿坝草原)而进;宗王抄合、也只烈率东路经茂州(今茂汶)趋会川(今会理西)以作牵制;自率中路经满陀城(今四川汉源北)渡大渡河，沿古青溪道南下，穿行山谷1000余公里，于十一月初进抵金沙江畔，遣使赴大理国招降。
大理国国王段兴智拒绝招降，以丞相高泰祥率军屯戍金沙江沿线，又遣将领高通率一部驻会川，抵进蒙古军。
大理迎战
1253年(蒙古宪宗三年、大理天定二年)十二月初，大理军与蒙古中、西两路军对峙。兀良合台部越旦当岭(今云南中甸境)入大理境，招降么些部落(今纳西族)，占领三赕(今丽江)，从侧后攻击大理军主力。
高泰祥见处境危急，匆忙退兵大理都城，冯坚固守。大理城东濒洱水(今洱海)，西倚点苍山，北、南有龙首、龙尾两关为屏障。高泰祥以重兵据咽喉要地龙首关迎战。
蒙古中、东路军先后渡金沙江与西路军会师与龙首关，合力攻击，全歼大理军主力，乘胜与十二月十五日占领都城。段兴智、高泰祥潜逃。
安定秩序
忽必烈采纳募臣姚枢建议，禁止妄杀，安抚百姓，稳定秩序，并遣军攻占附近堡寨，于姚州(今云南姚安北)俘斩高泰祥。
蒙古军灭大理后，忽必烈命兀良合台继续东征未降服的各部，命刘时中为大理宣抚使，以稳定大理国的统治。忽必烈自己率军北返。兀良合台军进克押赤城。段兴智逃往昆泽(今宜良)，被蒙军俘掳。经过两年的激战，又征服了赤秃哥国(即罗施鬼，今贵州西部)，罗罗斯(今四川西昌地区及凉山彝族自治州)，和自蛮波丽国(今元江一带)。白蛮首领细嵯甫被擒。
兀良合台征服大理各部后，遣使向蒙哥汗报捷，并将大理国主段兴智、波丽国主细嵯甫等人作为俘虏上献。蒙哥采取怀柔政策，放他们回去继续统治原属各部。段兴智感激蒙哥便献出地图，并亲自领兵作前锋，引导兀良合台讨平继续抵抗的各部;又向蒙哥提出“治民立赋之法”，以巩固蒙古对云南的统治。
战役结果
1254年(蒙古宪宗四年、大理天定三年)秋，兀良合台率军攻占押赤城(今昆明)，俘降段兴智，继以段氏领所部兵2万为先锋，攻克未附城寨，占领大理全境。
战役评价
此战，是中国战争史上一次著名的远征，忽必烈充分发挥蒙古骑兵的特长，挥军直入数千里，沿途招抚吐蕃首领、喇嘛，深远迂回攻占大理国，出奇制胜，形成了对南宋的南北夹击，对灭亡南宋起到了一定的作用，是中国战争史上远程奔袭的著名战役。
但蒙古军也损失惨重，士马死者数十万，师至湖南，进攻力量大大减弱。