至元十二年（1275年），元军攻占建康（今南京）、镇江（今属江苏）等重镇后，元世祖忽必烈亲自召见了伯颜，与之商讨灭宋作战方略。
上都大安阁。
忽必烈端坐御榻，伯颜坐在忽必烈旁边的一张红木金椅上。
“朕召你来，是想听听前线战事如何？”
“目前我军进展顺利，宋军主力消灭殆尽，我部正快速向余杭方向前进。”
“京湖地区的宋军主力虽说遭到重创，福建、两广、四川地区的宋军实力尚存，切不可麻痹大意。”
“是，陛下。”
“下一步有什么打算呢？”
“臣此次奉旨北上述职，诸将一致请求臣替他们问候陛下，并向陛下请战。”
“请战？”
“是！他们请求尽快对临安实施攻击。”
“这事儿还得缓一下，还需从长计议。盛夏来临，我大军需要休养，另一方面，虽宋在京湖地区的数十万精锐损失殆尽，但宋帝绝不会甘于失败，他必定集结湖南、江西、福建、两广及川蜀等地军队，孤注一掷，与我再行决战。”忽必烈顿了顿，接着说，“朕此次召你北上，正是要与你商讨这一问题。”
“宋人之据江海，如兽保险，今已扼其喉，少纵之则逸而逝矣。臣下以为，当以战为上。”
“说下去。”忽必烈注视着伯颜瘦削而黝黑的面孔，期待着他继续回答。
“一方面我军士气正旺。我军自至元五年开始大举伐宋以来，一路势如破竹，屡屡得胜，至今已占有宋半壁江山，只要再一鼓作气，便可大功告成。而宋兵则士气低迷，文臣不报国，武将只顾保命，边防如同虚设，一旦我大军至城下，他们为我军气势所慑，不是请降，就是望风而逃；另一方面此时宋廷任用奸相贾似道，政治腐败，经济崩溃，民困国穷，朝廷内部已到了分崩离析的境地。忠臣良将被赶出朝廷，无能享乐之徒得以重用，他们只顾享乐，哪里懂得怎样打仗。即使不得不打，那也是为求和做做样子，结果出战时，他们方略失当，损兵失地。此乃长生天祝我灭宋之大好时机，一旦宋廷清醒，运用贤臣良将，那时我军再想灭宋，将花费更大的代价。第三，我军现在的军事力量已不比以往。目前我军有蒙古军30万，汉军80万，二者的比例为三比八，汉军已经明显多于我蒙古军，这样就克服了我蒙古大军每遇夏季需要休兵的弱点。并且，汉军在攻城、筑城、水战等方面都发挥出我们蒙古军所不具有的优势。最重要的是，我军十分重视分化瓦解政策。腐败的政治让许多汉军将领看不到前途，再加上我朝皇上英明，恩威遍布四海，所以许多汉将投降。而我则利用这些汉人，在战前先行劝降，并辅之以军事打击，结果换来了兵不血刃，便能据关占地。”
伯颜一口气说了这么多，看看忽必烈在认真听着，并不断点头，于是就继续说道：“现在我国内政治已经理顺，北边战事已无大碍，此时亦乘得胜之师，一鼓作气，拿下宋国，一则告慰成吉思汗在天之灵，再则圆了皇上您的一大心愿。更重要的是，能够腾出手来，专门对付那些敢于不听我天朝旨意，胆敢妄自尊大的反叛者。所以，臣下以为，当下我军应戮力同心，一鼓作气，灭掉南宋为上策。机不可失，时不再来！”
对于伯颜的中肯分析，忽必烈十分满意，他接着问道：“那你将采用怎样的战略战术？”
伯颜答道：“南宋朝廷立国，是以长江为防线，以两淮为藩篱，重兵皆驻扬州，临安倚之为重。我军采用‘先攻襄阳，撤其扦蔽’的战略，采取控制两翼、突破中间，然后沿江而下，直捣临安的战略方针。一方面割裂南宋的三大战区，使之首尾不能策应，斩断了其长江防线。另一方面也为我军水、步、骑军同时展开协同作战创造了条件。今我军占领建康，进围扬州，阻隔两淮，南宋都城临安则完全失去了屏障，我军第一步作战目标已经实现，南宋来不及调整，长江以南的广阔地区兵力空虚，我军宜长驱直入，直扑临安。”伯颜起身走到挂在墙壁上的一幅布满箭头的地图前，将自己的计划和盘托出：“当然，南宋志士不会就此罢休，一定会想方设法组织救援的。因此，为防止两淮宋军南下救援，可派中书左丞相阿术继续围困扬州，围点打援，消灭敌人的有生力量，同时阻断淮东宋军南援的通道；命右丞相阿里海牙攻湖南，都元帅宋都带等取江西，以切断南宋的东西联系，防止川蜀之兵驰援；同时我中军大军宜在建康周围进一步扩大战果，攻占镇江等，以控制江东地区，建立稳固的南进基地。”
忽必烈随着伯颜的手指在地图上指点，暗自赞叹这个三十多岁的小伙子竟有如此神奇的用兵之道。他庆幸自己当时把他留在了身边，也更怀念据理力争推荐他的史天泽，此时，史天泽刚刚离开了这个世界。
看着皇帝忽必烈若有所思，伯颜迟疑了一下，问道：“皇上？”
“说下去，说下去……”忽必烈一愣，然后马上回过神来。
“在具体的战术上，我拟采取‘分兵三道，会于临安’的作战布署，即我军分三路进兵，最后会师于临安城下。落实到具体的安排上，我想右路军以蒙古骑兵为主，由参知政事阿剌罕率领自建康出漂水、广德一线，取独松关，从西面杀向临安，切断宋室逃往内地的通路。左路军以汉军舟师为主，由参知政事董文炳率领自江阴出长江口，循海岸线，入杭州湾，切断宋室从海上逃亡的通路。中路军由我与阿塔海亲自率领，由常州、牙江（苏州）、嘉兴一线直捣临安！”
忽必烈的脸上浮出一丝欣慰的笑容，他命侍卫端上酒来。
“来，来，来！伯颜右丞相，你不愧是我的张子房，我敬你一杯！”
看到伯颜惊愕的样子，忽必烈哈哈大笑。
“在你回来之前，我已下旨封你为中书省右丞相。我没让他们宣旨，是想等你回来当面告诉你这个消息。从此后，你总领我大元朝军政庶务，这样你肩上的担子可就更重了。”在蒙古人面前，忽必烈一直没有使用“朕”这个词。
“陛下信爱之恩，臣定当肝脑涂地以报！”伯颜退后一步，跪行大礼。
“哈哈，起来，快起来！”忽必烈亲自上前拉起伯颜，握着他的手语重心长地说道：“伯颜丞相，作为一名统领荆湖、淮西两个行省的最高军事和行政长官，你的一言一行随时都会成为影响和左右其他将领的行为准则。所以，我希望你能冷静地总结经验，整饬军队，以利再战。我预祝你顺利拿下临安，届时，我将亲自为你设宴庆功！”
“臣明白！皇上一席警示，好似盛暑时节的清凉剂，令臣猛省。皇上放心，我回军中后一定把您的旨意在全军贯彻，戒骄戒躁，克服盲目麻痹思想，认真总结经验教训，研究好战略战术，用脑子打仗，相信灭掉南宋的日子不会太长的，皇上您就等着我的好消息吧！”
而此时，南宋政府则是另一番景象。
谢老太后被几个宫女伺候着穿好衣服，盥洗完毕，慢慢地踱到寝殿的外间。六十多岁的她，虽然精心保养，但这几年的战事仍把她折磨得老态龙钟。
“外面有大炮响吗？”
“没有，太皇太后。外面平静着呢。”宫女回答。
听到臣子多次提到蒙古人的炮，老妇人心中不免心有余悸，一天问了不知多少次了，宫女们都听腻烦了。
“老太后别操心了，他们离这儿远着呢！张世杰将军一直在外面候着呢。”
“叫他进来吧。”
张世杰刚从前线逃回来，面目黑瘦，满脸倦容。
“张将军，这一两天前线的情形怎样呀？”
“……还是那样吧，太皇太后。”张世杰跪拜了老太后，站起身来说。
“跟我说实话吧，这些年来，我听到的都是些坏消息，已经习惯了，不再害怕了。”
“元军正分三路大军南下，扬州被围，李庭芝将军已经被围困几个月了；常州城破，几位将军都已死，全城军民罹难；溧阳被攻破，我军将校70余人，士卒两万多人死……”
“不用多说了……”老太后无奈地叹了口气，皱着眉头问道：“张将军有话要说？”
“臣与文天祥等人商议，如果淮东、川蜀之兵能勤王，再加上我广东、福建之师，则我军数目也不在少数，国事当有可为之望，臣下愿与文天祥等前去谋划……”
“老身已经不中用了，只有靠你们这班臣子了，不知和陈丞相商量过没有？”
张世杰这才知道那个掼纱帽的陈宜中又回来当了宰相。大家都知道他胆小怕事，和贾似道是一丘之貉，不觉无望起来：
“还，还没有……”
“好吧，待老身与陈相国商议后再答复你吧，还有事吗？”
张世杰知趣地退了下去，他知道这个陈宜中举棋不定，观望犹豫，在和与战之间摇摆不定。太后一旦和他商量，便一定又会是无望，不觉悲从心来，长叹一声：“苍天呀，你怎这般不佑护我大宋！”
正如张世杰所料，商量的结果就是陈宜中派将作监柳岳前往元军大营求和。柳岳哀求元军班师，保证每年进奉修好，伯颜说：“宋昔得天下于小儿之手，今亦失于小儿之手。盖天道也，不必多言。”竟不许他和。其后不久，陈宜中又派正少卿陆秀夫前往，请求称臣纳币，伯颜不答应；又称侄孙，伯颜还是不允。抗战无力，求和不成，陈宜中想到迁都，他向谢太后说明其意图，谢太后不答应。陈宜中在朝廷中痛哭哀求，陈述迁都的必要性，谢太后一向倚重陈宜中，此时已无主意，只好从之。陈宜中与谢太后约定了出逃临安的日期，仓皇之间出了差错。谢太后已作好出逃的准备，从早上等到晚上，没有见到陈宜中的人影，她将簪珥摔在地上，大怒道：“吾初不欲迁，而大臣数以为请，顾欺我欤？”于是迁都之事只好作罢。
再说元军，大军齐下，西路军主帅阿剌罕率军南下，连克溧阳、建平，一路势如破竹，只在独松关（今浙江安吉县东南）遭到守将张濡的顽强抵抗。他们以步兵战骑兵，虽舍生忘死，但终因寡不敌众，最终全部阵亡，于是元西路大军便控制了临安的北大门。
元东路水军以范文虎为先锋，顺江东进，由于长江两岸已无宋军把守，元军进军顺利。当时，长江口活跃着一支由贫苦渔民组成的水军，由朱清、张瑄率领，不受宋朝管辖。元军主帅董文炳认为可以利用这支力量，便招降了这支海上武装，朱、张二人带领人马和海船随元军南下攻取临安，增强了元军的海战能力。东路军出长江口后沿海岸线，十二月逼近钱塘江口，从海道包围了临安。
元中路军由伯颜率兵进攻常州，常州是拱卫临安的前沿，是元军整个攻取临安计划的关键，伯颜亲自指挥攻城。元军在城南筑高台，把大炮放在台上向城内猛轰，又用火箭射入城中，常州城内一片火海。常州守将姚岩率将士浴血奋战，终因寡不敌众，没有外援而失败。姚岩、王安节等阵亡，僧人万安、莫谦之长老率僧兵赴援，500名僧兵全部战死。
伯颜攻破常州后，派都元帅阇里帖木儿、万户怀都率兵攻无锡、平江，在元军大兵压境下，两地宋军投降元军。
至元十二年（1275年）十二月，元朝三路大军逼近临安，进驻臬亭山（浙江杭州市东北郊），随时准备攻占临安。
在大军压境形势下，南宋朝廷一片混乱，宋廷既没有兵力抵抗，求和又被元军拒绝，陈宜中以及朝中文武百官纷纷逃离临安。谢太后无计可施，只好派临安知府贾余庆以恭帝名义奉传国玺及降表，到臬亭山向伯颜请降。伯颜遣董文炳、吕文焕、范文虎入城安抚百姓，禁止杀掠，封闭仓库，收缴宋廷袞冕、圭璧、仪仗、图籍以及大批财宝、器物，运往大都。伯颜亲自入临安城安置宋廷人员，把宋帝赵显、皇太后全家以及其他朝官、宫廷人员监护起程，浩浩荡荡北上。至此，临安被元军攻取，南宋朝廷灭亡。
临安会战至此结束，从建立建康基地到攻取临安算起，此战仅用了一年时间。从战略上来看，元朝采用攻击逼降的策略，忽必烈为配合前线，先后派礼部尚书廉希圣、工部侍郎严忠范到宋朝劝降，伯颜也派张羽等人招降，目的是为稳住宋朝君臣，取得了整个战局的主动权；在战术方面则使用分路并进，合而击之的方法，三路大军三管齐下，西路断其响应，东路断其退路，中路攻坚突破。南宋方面由于采取消极防御战略，战和不定，最终失去了抗击元军的有利形势，以亡国而告终。