在完成了一系列准备工作后，蒙哥下令同时对西亚、中国南方和高丽展开大规模军事行动。西亚战线由他的五弟旭烈兀担任统帅；中国南方战线由他的四弟忽必烈担任统帅；高丽战线由宗王也古担任统帅（后来改由护卫军将领札剌儿取代）。
蒙古人在三条战线上各自取得了不同的成绩。旭烈兀西征占领了阿拉伯帝国的阿拔斯王朝、木剌夷国以及叙利亚的阿尤布王朝；忽必烈南征攻灭了大理国，并迫使安南（今越南）国王承认蒙古帝国的宗主权，同时也为入侵南宋做好了准备；对高丽的战争由于指挥官任用不当，导致战事一波三折，最后于1258年勉强迫使高丽人承认了蒙古的宗主国地位。
1258年，蒙古大军从北、西、南三个方向同时对南宋发起攻击。蒙哥亲自参与指挥从四川入侵的这路蒙古军。正当南宋面临生死存亡之际的时候，一个意外却让南宋幸运的存活了下来。原来在1259年8月11日，蒙哥在合州钓鱼山被南宋的抛石机击中，重伤而亡（一说患痢疾病逝），终年51岁。
蒙古帝国在蒙哥执政期间实力达到了巅峰。他成功集中了帝国的权力，并完成了对西亚和高丽的征服。蒙哥死后，忽必烈和阿里不哥（蒙哥七弟）因继承汗位问题爆发了长达四年的内战，蒙古帝国正式走向分裂，"四大汗国"在实际上都成为了独立的国家。
参考文献：《元史》
