始围攻直到七月，钓鱼城都巍然不动。蒙古军不但损失无数士兵，还折损了大将汪德臣、董文蔚。到了六月，天气逐渐炎热，军中疟疠、霍乱横行，士气低落。
面对不利局势，大将术速忽里提议留少量军队困扰，而以主力沿长江水陆东下，出三峡，捣荆楚。可蒙哥汗却并没有采纳这合理建议，而是呈血性，继续强攻。结果，是年7月，蒙古帝国的最高统治者蒙哥汗便死于金剑山温汤峡（今重庆北温泉），有记载说他是身患痢疾，有记载说他是被炮石所伤 。
作为军事统帅，蒙哥汗既不知己也不知彼，既不能临机应变，也不愿采纳臣属的正确意见，只是一味蛮干，结果竟然以大汗之尊战死阵中，真是“千金之弩，为鼹鼠而发“ ，败得窝囊，死得不值。
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人比人得死，相对于蒙哥汗的莽夫作为，他的二弟忽必烈却在得到统兵之权后，镇定自若，举措的当，无论是筹划还是进兵都有章有法。
接到诏旨后，忽必烈先妥善安排了自己大本营的种种事项，然后带着众多谋臣侍从于1258年十一月离开开平，1259年五月到达濮州（今河南濮阳东），召集谋臣以及东平名士宋子贞、李昶商议南征策略。
宋子贞等人以及刘秉忠、姚枢、张文谦都提出，要攻打南宋顺利，必须要以罚罪、救民、不嗜杀为宗旨，才能尽量减少抵抗。忽必烈当即表态：“保为卿等守此言！” 算是确定了南征总方针。
七月十二日，忽必烈到达汝南正式接手了东路军，因吸取了塔察儿顿兵樊城之下的教训，他将主攻方向设为江汉。命木华黎之孙霸突鲁先率一部直趋汉水，然后任命老臣杨惟中和自己幕府心腹郝经为江淮荆湖南北等路正、副宣抚使，率归德一带军队至长江北岸设立行台，招纳降附，宣布恩信。
八月十五日，忽必烈率军度过淮河，二十日攻入大散关，二十一日，抵达黄陂。与此同时，汉军世侯张柔率军攻破南宋五关之首的虎头关。
九月一日，蒙哥汗猝死的消息传到军中，忽必烈命全军驻扎，为蒙古汗举哀。这个时候的忽必烈会是什么心情，史书的记载简单而不可信，以常理推测，其心应该是“且哀且喜”，毕竟亲大哥身亡是难过的事，但另一方面自己最大的竞争对手和谋取大业的绊脚石没有了，对于一个政治人物来说，喜多于悲，再正常不过。
下一步，就要决定该怎么办了。很多下属提议立即北还，可是忽必烈却拒绝了。他的考虑是：第一，战斗刚刚打响，没有什么大的进展便回军，会让自己如塔察儿一样被人笑话，自己要继承汗位，就必须有更大的战功；第二，兀良合台的南路军已近北上进入南宋腹地，自己不去接应，必然要全军覆没，那是一支精锐之师，兀良合台又是自己在南征大理时便笼络的悍将，绝不能放弃；第三，除了蒙哥汗，他实在想不出还有谁能威胁自己继承汗位，奉蒙哥汗之命留守都城和林的幼弟阿里不哥，是不应该被放在眼里的。
于是，在举办完蒙哥汗的追悼会后，忽必烈继续督军南下。而此时的南宋朝廷则聚集了十万大军，两千艘战船于长江南岸。九月四日黎明，忽必烈派遣董文炳、董文用兄弟为先锋，以二百艘战船强渡长江，宋军前来接战，两军在江中战斗十七次，宋军大败，损失兵士无算，战船被俘虏千余艘。蒙古军渡江成功包围了鄂州（今湖北武昌）。渡江之后，忽必烈履行了当初对宋子贞等人的诺言，严肃军纪，军士擅入民宅者一律军法从事，并将俘虏百姓全部释放，尤其是其中的五百多名儒生，放走前还给不少安家费。
可是，这样的怀柔并不能稍减南宋军民的抵抗意志。鄂州守将张胜拼死据守，而从南宋军从重庆而来的吕文德所部，汉阳而来的贾似道、高达所部也奋力前来支援。百余日内，鄂州城下双方鏖战不休，死伤枕籍。南宋守将张胜战死城楼，军士死伤多达一万三千余众，可鄂州成仍然没能拿下。尤其是著名的奸相贾似道，此时表现得极为英勇顽强，率军进入城中后，负责守城全部事宜。蒙古军多次用掘洞的方式将城墙破坏，可贾似道总是在一夜之间率将士用木栅栏修补完毕，让蒙古军望城兴叹。忽必烈不禁感慨：“吾安得似道者用之？”
鄂州城下的战斗出现胶着，而霸突鲁率军进攻岳州（今湖南岳阳），郑鼎等率军骚扰江西兴国、瑞州、南康、抚州等地都进展顺利。尤其兀良合台所帅的由一万蛮兵和三千蒙古骑兵组成的南路军更是势如破竹，从云南出发一路之上攻克广西衡山寨（今广西田东）、贵州（今广西贵县）、象州（今广西象州）、柳州（今广西柳州）、静江（今广西桂林），进入湖南后，又接连突破全州（今湖南全州）、辰州（今湖南沅陵）、沅州（今湖南芷江）的宋军堵截，攻至潭州（今湖南长沙）城下。南宋的临安朝廷惶惶不安，已经有迁都的打算。
而在鄂州城中亲临战阵的南宋奸相贾似道，此时深知鄂州城破已经是时间问题，一旦鄂州失守，岳州、潭州等地必定出现连锁反应，南宋朝廷将会危如累卵。于是，他秘密派遣宋京为使节求和。
忽必烈原本并不想和谈，正如谋臣赵璧回答宋使宋京所说：“驻濮州未拜旗时，汝国遣行人来议尚可。今已渡江，江南之地，悉为我有，何出此言？”
可是很快，忽必烈就做出了率军北返，并同意和南宋议和的决定。这倒不是真如表面的言辞所说“以生灵之故”，而是因为他先后接见了来自漠北的两拨信使。
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十一月，忽必烈的大妃察必派人来到军中，向忽必烈通报了他的小弟阿里不哥派遣那个钩考过他的阿兰答儿和脱里赤到漠南和中原抽调兵丁的消息。并用隐喻暗示道：“大鱼的头被砍断了，在小鱼中除了你和阿里不哥以外，还剩有谁呢？你回来好不好？” 。两天后，阿里不哥的使节也来到军中，声称是来“请安和转达问候的”，忽必烈问起调兵之事，使节支吾应付。忽必烈这才发现，自己实在小看了弟弟，阿里不哥已经积极运作，准备和自己争夺大汗宝座了！
身边的谋臣们也纷纷进谏，请求忽必烈立即班师。郝经分析道：“阿里不哥已行敕令，令脱里赤为断事官、行尚书省事，据燕都，按图籍，号令诸道，行皇帝事矣。虽大王素有人望，且握重兵，独不见金世宗、海陵王之事乎！若彼果决，称受遗诏，便正位号，下诏中原，行赦江上，欲归得乎？” 当初金废帝完颜亮率军攻打南宋，金世宗完颜雍趁机在后方称帝，导致前方军心大乱，金废帝被部将所杀。这段历史似乎就快要重演了，如果阿里不哥这时候宣布继位，那忽必烈的所有优势都会丧失，很可能成为金废帝第二了。
时间紧迫，不容犹豫。忽必烈立即下令以进攻临安的名义撤掉围攻鄂州的军队，并开始整军北上。在留下霸突鲁、兀良合台和张柔等率部屯驻江北的同时，也答应了贾似道的求和，口头达成协议。之所以用口头方式，实在是来不及细细谈定议和条件再签字画押了，而这个仓促的决定，倒为日后再次进攻南宋留下了借口。
阿里不哥是忽必烈同母所生最小的弟弟，虽然他是“灶主”，继承了拖雷和嗦鲁和贴尼大部分的部众，实力雄厚，而且是蒙哥汗南征之时，受钦命留镇都城主持庶政的“监国”。但第一在自己上面有两个战功赫赫，实力也不弱于自己的哥哥，第二自己从来没有单独领过军，拿不出什么像样的战功。所以并非一开始就觊觎汗位。可所谓“一个好汉三个帮”，成大事要有很多帮手，而要坏事，也往往要有些“损友”挑唆。蒙哥汗的死讯一传到和林，汗廷上下很快便形成了一个拥立阿里不哥为新任大汗的集团。
集团的主要人物，首先是蒙哥汗的儿子们——阿速台、玉龙答失、昔里吉等，他们没有战功，实力、能力、威望都属于一般水平偏下，没有竞争汗位的资格，为了日后获得更多的好处，便决定拥立小叔叔阿里不哥。其次便是蒙哥汗生前宠信的大臣们，如阿兰答儿、孛鲁欢、浑都海、脱火斯、脱里赤等，这些人要比蒙哥汗的儿子们有更长远的眼光：蒙古帝国没有立储制度，每任大汗都要召开“库里台大会”由宗王、贵族们推选。可从窝阔台汗去世以来，每任大汗的登基“库里台大会”都只是个形式，最终决定谁来执掌大权的还是军事实力。现在最有实力的是蒙哥汗的三个弟弟忽必烈、旭烈兀和阿里不哥。旭烈兀远在西亚，拥立他不现实，而忽必烈却是自己在当年“钩考”时强力打压过的，拥立他等于自杀。对他们来说，阿里不哥是唯一的、最佳的人选。
于是，阿兰答儿和孛鲁欢作为说客来说服阿里不哥：“忽必烈和旭烈兀二人出征去了，蒙哥合罕把大兀鲁思托付给了你，你有什么想法，难道你想让我们像羊一样被割断喉咙吗？”
权力的诱惑很少能有人拒绝，尤其是自认为与权力仅一步之遥的人。不需要更多的语言，阿里不哥迅速做出了先下手为强，与哥哥争夺汗位的决定。
正在鄂州鏖战的忽必烈之所以迅速作出回军的决定，便是因为阿里不哥的第一招：派脱里赤到漠南诸州抽调兵丁，派阿兰答儿到漠北诸部抽调人马，以便控制漠南漠北主力军队。
可惜，阿里不哥的图谋刚一开始，便走漏了消息。当阿兰答儿在开平附近抽调军队时，忽必烈的大妃察必便发觉了异状，她一面派使者责问，一面迅速通知了忽必烈。
这位察必大妃以后是大元王朝的首位皇后，其人深明大义，是忽必烈的贤内助，每当重要的历史关头，她总是有着比丈夫甚至丈夫身边谋臣更精明深邃的眼光。这一次，只是她的牛刀小试。
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刚结束了和哥哥的暗斗，又要和弟弟斗智斗勇。忽必烈想必相当郁闷，但相对于蒙哥汗，阿里不哥还是要好对付的多，他没有如郝经的估计那样抢先宣布继位，这给了忽必烈充足的应付时间。在郝经的谋划下，忽必烈轻装简从，以最快的速度向大本营挺进。途中，又接受廉希宪的建议，派赵良弼入关中监视蒙哥汗留在六盘山由浑都海统帅的四万骑兵，为日后控制关中做准备。
是年闰十一月二十日，日夜兼程的忽必烈回到燕京。紧接着迅速将脱里赤召集的部队遣散，并派出使者对弟弟进行斥责。
阿里不哥等人都没有想到忽必烈胡来的如此之快，一时间慌了手脚，为了暂时安抚住哥哥，他只好派使者去做解释，并送上很多礼物，表示自己不再调兵。但同时，他也向哥哥提出了一个难题：请忽必烈回和林，参加“库里台大会”，商议汗位继承人选。
阿里不哥的支持者都在漠北，又掌握着和林实权，现在兄弟二人已经摊了牌，去和林开会可说凶多吉少。但要是不去，便是理亏，在法统上又说不过去。
忽必烈左右为难。
谋臣的职责，就是在主君犹疑之时及时的提出建议。廉希宪、商挺立即进言，认为忽必烈不但不应该回和林，而且应无视传统，立即宣布继承汗位，“今若早承大统，颁告德音，彼虽迁延宿留，便明叛逆。安危逆顺，间不容发，宜早定大计” ，“先发制人，后发人制。天命不敢辞，人情不敢违，事机一失，万巧莫追！”
与此同时，成吉思汗弟弟的后裔们，也就是蒙古帝国的东道蒙古宗王也在塔察儿的带领下来到燕京。塔察儿是成吉思汗幼弟帖木格嫡孙，所领蒙古千户最多，是东道诸王之长。他在自己的师傅撒吉思劝告下倒向忽必烈，塔察儿一表态，所有的东道宗王便都决定了将宝压在哪一方，这也带动了合丹（窝阔台汗幼子）、阿只吉（察合台孙）、只必帖木儿（窝阔台次子阔端之子）等西道宗王。
谋臣的谋划，叔伯兄弟们的支持，使忽必烈选择了一个折中的方法——在开平召开“库里台大会”，借宗王之口确定自己继位。
1260年三月初，金莲川滦河畔开平城召开由忽必烈主持的“库里台大会”， 合丹、阿只吉、只必帖木儿、末哥（忽必烈异母弟）、塔察儿、移相哥（成吉思汗弟哈撒儿之孙）、忽剌忽儿（成吉思汗弟哈赤温之孙）、爪都（成吉思汗弟别勒古台之孙）、纳邻合丹（哈赤温孙）等宗王和以木华黎之曾孙忽林池为首的功臣贵戚共推忽必烈继承大汗汗位。
因为和儒士们相处久了，忽必烈也学会了中原皇帝“三辞三让”的礼节，多次推让后，才“勉强”答应继位。与历任大汗不同，忽必烈颁布了年号“中统”，还颁下即位诏书，这已经完全是中国皇帝的做派了。这一年，他46岁。
此次“库里台大会”在蒙古历史的重要性仅次于1206年在斡难河畔召开的那次拥立铁木真为“成吉思汗”的大会。成吉思汗的被拥立，标志着“也客•；蒙古•；兀鲁斯”（大蒙古国）的建立，而忽必烈成为可汗，则标志着蒙古帝国的崩溃。
四月，晚了一步的阿里不哥于和林在阿速台、玉龙答失、昔里吉、阿鲁忽（察合台后王）、木哈儿（旭烈兀之子）以及阿兰答儿、脱里赤等蒙哥汗重臣的簇拥下，宣布继大汗位。两位大汗相差不到一个月相继出现，忽必烈向阿里不哥派出使臣宣布自己继位，希望他能够承认，可根本得不到回应。而阿里不哥向各地颁布诏旨表明自己的正统地位，忠于忽必烈的将领和官员也根本置若罔闻。
这个时候，忽必烈和阿里不哥已经不是兄弟，而是必须你死我活的竞争对手，蒙古帝国也随之分裂几大块。忽必烈基本上控制着漠南汉地，阿里不哥掌握着漠北，窝阔台的后裔们分别支持二人，他们的封地也便分属两边，察合台汗国的监国兀鲁忽乃王妃和金帐汗国可汗别尔哥对双方都持观望态度，而远征西亚的旭烈兀则占据伊朗高原和小亚细亚，“自帝一方” ，等着哥哥和弟弟最后斗出个结果再表态。
祖宗的家业虽然分成几大块，但要争做家长的战斗主要是阿里不哥和忽必烈之间的事情。以当时的情况来看，如阿里不哥获胜，蒙古帝国还会暂时的在大体上保持统一，金帐汗国本就倾向于蒙哥系，由蒙哥汗之子们拥立的阿里不哥可以很容易获