公元1251年，长兄蒙哥即大汗位，忽必烈以皇弟之亲，受任总理漠南汉地军国庶事，南驻爪忽都之地。
蒙哥即汗位后，遣忽必烈开拓南部汉地，令旭烈兀远征西域，以阿里不哥留守和林看管蒙古本土，自己则亲率大军伐宋。
宋蒙（元）战争从公元1235年全面爆发，至1279年崖山之战宋室覆亡，延续近半个世纪，它是蒙古势力崛起以来所遇到的费时最长、耗力最大、最为棘手的一场战争。发生于1259年的四川合州钓鱼城之战，则是其中影响巨大的一场战事。
1234年宋、蒙联合灭金后，南宋出兵欲收复河南失地，遭蒙军伏击而失败。1235年,蒙军在西起川陕、东至淮河下游的数千里战线上同时对南宋发动进攻，宋蒙战争全面爆发。至1241年，蒙军铁骑蹂躏南宋大片土地，而四川则是三大战场（另两个为京湖战场即今湖北和河南一带、两淮战场即今淮河流域一带）中遭蒙军残破最为严重的一个地区。
这年蒙古窝阔台死去，其内部政争不断，对南宋的攻势减弱。南宋由此获得喘息之机，对各个战场的防御进行调整、充实。1242年，宋理宗派遣在两淮抗蒙战争中战绩颇著的余玠入蜀主政，以扭转四川的颓势，巩固上流。余玠在四川采取了一系列政治、经济和军事措施，其中最重要的是创建了山城防御体系。即在四川的主要江河沿岸及交通要道上，选择险峻的山隘筑城结寨，星罗棋布，互为声援，构成一完整的战略防御体系。 钓鱼城即是这一山城防御体系的核心和最为坚固的堡垒。
钓鱼城坐落在今四川省合川县城东5公里的钓鱼山上，其山突兀耸立，相对高度约300米。山下嘉陵江、渠江、涪江三江汇流，南、北、西三面环水，地势十分险要。这 里有山水之险，也有交通之便，经水路及陆上道，可通达四川各地。彭大雅任四川制置副使期间（1239——1240年），命甘闰初筑钓鱼城。1243年，余？采纳播州（今遵义）贤士冉？、冉璞兄弟建议，遣冉氏兄弟复筑钓鱼城，移合州治及兴元都统司于其上。钓鱼 城分内、外城，外城筑在悬崖峭壁之上，城墙系条石垒成。城内有大片田地和四季不绝 的丰富水源，周围山麓也有许多可耕田地。这一切使钓鱼城具备了长期坚守的必要地理条件以及依恃天险、易守难攻的特点。1254年，合州守将王坚进一步完善城筑。四川边 地之民多避兵乱至此，钓鱼城成为兵精食足的坚固堡垒。
1251年，蒙哥登上大汗宝座，稳定了蒙古政局，并积极策划灭宋战争。蒙哥为成吉思汗幼子拖雷的长子，曾与拔都等率兵远征过欧、亚许多国家，以骁勇善战著称。1252 年，蒙哥汗命其弟忽必烈率师攻占大理，对南宋形成包围夹击之势。
1257年，蒙哥汗决定发动大规模的灭宋战争。蒙哥命忽必烈率军攻鄂州（今武昌），塔察儿、李？等攻两淮，分宋兵力；又命兀良合台自云南出兵，经广西北上；蒙哥则自率蒙军主力攻四川。蒙哥以四川 作为战略主攻方向，意欲发挥蒙古骑兵长于陆地野战而短于水战的特点，以主力夺取四 川，然后顺江东下，与诸路会师，直捣宋都临安（今杭州）。
1258年秋，蒙哥率军4万分三道入蜀，加上在蜀中的蒙军及从各地征调来的部队， 蒙军总数大大超过4万之数。蒙军相继占据剑门苦竹隘、长宁山城、蓬州运山城、阆州 大获城、广安大良城等，迫近合州。蒙哥汗遣宋降人晋国宝至钓鱼城招降，为宋合州守将王坚所杀。钓鱼城之战由此展开。
宋开庆元年（1259年）二月二日，蒙哥率诸军从鸡爪滩渡过渠汇，进至石子山扎营。三日，蒙哥亲督诸军战于钓鱼城下。七日，蒙军攻一字城墙。一字城墙又叫横城墙， 其作用在于阻碍城外敌军运动，同时城内守军又可通过外城墙运动至一字城墙拒敌，与外城墙形成夹角交叉攻击点。钓鱼城的城南、城北各筑有一道一字城墙。九日，蒙军猛 攻镇西门，不克。这日，蒙古东道军史天泽率部也到达钓鱼城参战。
三月，蒙军攻东新门、奇胜门及镇西门小堡，均失利。从四月三日起，大雷雨持续 了二十天。雨停后，蒙军于西月二十二日重点进攻护国门。二十四日夜，蒙军登上外城， 与守城宋军展开激战。《元史·宪宗纪》称“杀宋兵甚众”，但蒙军的攻势终被宋军打退。五月，蒙军屡攻钓鱼城不克。 蒙哥汗率军入蜀以来，所经沿途各山城寨堡，多因南宋守将投降而轻易得手，尚未 碰上一场真正的硬仗。因此，至钓鱼山后，蒙哥欲乘拉槁之势，攻拔其城，虽久屯于坚 城之下，亦不愿弃之而去。尽管蒙军的攻城器具十分精备，奈何钓鱼城地势险峻，致使 其不能发挥作用。钓鱼城守军在主将王坚及副将张珏的协力指挥下，击退了蒙军一次又 一次的进攻。千户董文蔚奉蒙哥汗之命，率所部邓州汉兵攻城，董文蔚激励将士，挟云梯，冒飞石，履崎岖以登，直抵其城与宋军苦战，但因所部伤亡惨重，被迫退军。其侄 董士元请代叔父董文蔚攻城，率所部锐卒登城，与宋军力战良久，终因后援不继，亦被迫撤还。
钓鱼城久攻不下，蒙哥汗命诸将“议进取之计”。术速忽里认为，顿兵坚城之下是不利的，不如留少量军队困扰之，而以主力沿长江水陆东下，与忽必烈等军会师，一举灭掉南宋。
然而骄横自负的众将领却主张强攻坚城，反以术速忽里之言为迂。蒙哥汗未采纳术速忽里的建议，决意继续攻城。然而，面对钓鱼坚城，素以机动灵活，凶猛骠悍著称的蒙古骑兵却不能施其能。
六月，蒙古骁将汪德臣（原为金臣属）率兵乘夜攻上外城马军寨，王坚率兵拒战。天将亮时，下起雨来，蒙军攻城云梯又被折断，被迫撤退。蒙军攻城5个月而不能下， 汪德臣遂单骑至钓鱼城下，欲招降城中守军，几乎为城中射出的飞石击中，汪德臣因而患疾，不久死于缙云山寺庙中。蒙哥闻知死讯，扼腕叹息，如失左右手。汪德臣之死， 给蒙哥汗精神上以很大打击，钓鱼城久攻不下，使蒙哥汗不胜其忿。
蒙军大举攻蜀后，南宋对四川采取了大规模的救援行动，但增援钓鱼城的宋军为蒙军所阻，始终未能进抵钓鱼城下。尽管如此，被围攻达数月之久的钓鱼城依然物资充裕，守军斗志昂扬。一日，南宋守军将重15公斤的鲜鱼两尾及蒸面饼百余张抛给城外蒙军，并投书蒙军，称即使再守10年，蒙军也无法攻下钓鱼城。相形之下，城外蒙军的境况就 很糟了。蒙军久屯于坚城之下，又值酷暑季节，蒙古人本来畏暑恶湿，加以水土不服， 导致军中暑热、疟疠、霍乱等疾病流行，情况相当严重。据《元史》记载，蒙哥汗于六月也患上了病，而拉施特《史集》更明确说是得了痢疫。另《马可·波罗游记》和明万历《合州志》等书则称蒙哥汗是负了伤。无论如何，蒙哥不能再坚持攻城了。七月，蒙 军自钓鱼城撤退，行至金剑山温汤峡（今重庆北温泉），蒙哥死亡。据《元史》本传及元人文集中的碑传、行状等所载，不少随蒙哥出征的将领战死于钓鱼城下，由此可以想见钓鱼城之战之酷烈及蒙军损失之严重。
蒙哥汗在钓鱼城下的败亡，其影响是十分巨大的。首先，它导致蒙古这场灭宋战争的全面瓦解，使宋祚得以延续20年之久。进攻四川的蒙军被迫撤军，护送蒙哥汗灵柩北还。率东路军突破长江天险，包围了鄂州的忽必烈，为与其弟阿里不哥争夺汗位，也不得不撤军北返。从云南经广西北上的兀良合台一军，一路克捷，已经进至潭州（今长沙）城下。由于蒙哥之死，该军在忽必烈派来的一支部队的接应下，也渡过长江北返。蒙古的南北两支军队基本上是按预定计划进军的，只因西边主攻战场的失败而功亏一篑。
其次，它使蒙军的第三次西征行动停滞下来，缓解了蒙古势力对欧、亚、非等国的威胁。1252年，蒙哥汗遣其弟旭烈兀发动了第三次西征，先后攻占今伊朗、伊拉克及叙利亚等阿拉伯半岛大片土地。正当旭烈兀准备向埃及进军时，获悉蒙哥死讯，旭烈兀遂留下少量军队继续征战，而自率大军东还。结果蒙军因寡不敌众而被埃及军队打败，蒙军始终未能打进非洲。蒙古的大规模扩张行动从此走向低潮。因此，钓鱼城之战的影响 已远远超越了中国范围，它在世界史上也占有重要的一页。
其三，它为忽必烈执掌蒙古政权提供了契机，对中国历史发展产生了重大影响。蒙哥汗是一位蒙古保守主义者，他所施行的仍然是传统的政策。这种带有浓厚的蒙古部族和西域色彩的政策，已极不适应统治广大中原汉地的需要。而忽必烈则是蒙古统治集团中少有的一位倾慕汉文化的开明之士。蒙哥即汗位后，忽必烈受任掌理漠南汉地，他大力延揽汉族儒士，极力推行汉化政策，取得很大成效。但却引起蒙哥汗及其保守臣僚的疑忌，忽必烈因而被罢了官，其推行的汉化政策也被迫取消。忽必烈登上大汗宝座后，继续推行其汉化政策，逐步改变蒙军滥杀的政策，使南中国的经济和文化免遭更大的破坏。蒙哥汗曾留下遗言，日后攻下钓鱼城，当尽屠城中之民。后来钓鱼城降元，忽必烈却赦免了其军民。正是由于忽必烈的当政，使蒙古汗国这个边疆政权转变为一统中国的 封建大王朝—元朝，在中国历史上写下了浓重的一笔。
钓鱼城作为山城防御体系的典型代表，在冷兵器时代，充分显示了其防御作用，它成为蒙古军队难以攻克的堡垒。蒙哥汗败亡后，钓鱼城又顶住了蒙军无数次的进攻，直至1279年守将王立开城投降，钓鱼城才落入蒙古之手。中国人民革命军事博物馆古代战争馆特意制作了钓鱼城古战场的沙盘模型，以展示其在中国古代战争史上的重要地位。