蒙古军作战图　伊朗　志费尼
至元十三年（1276年），蒙军兵临城下。谢太后只得启用文天祥为相，让他出使元营，商议议和之事。文天祥到元营后，被伯颜趁机扣押。谢太后山穷水尽，只得向伯颜献上降表、玉玺投降。随后，伯颜遵从忽必烈命令，派遣一队人马将小皇帝赵、其母全太后以及皇族宗室、文武百官全部被元军押往大都。途中，文天祥乘机逃走。五月，一行人到达大都，忽必烈召见小皇帝赵，宣布废去帝号，封为瀛国公。
此后，南宋益王赵昰、卫王赵昺先后在文天祥、陆秀夫、张世杰等人的辅佐之下，在东南沿海一带转战，力图恢复江山社稷，然而最终也归于失败。至元十六年（1279年），崖山之战后，元军全歼了宋军，陆秀夫抱着小皇帝跳海自杀，文天祥被俘，后被处死。南宋遂亡。至此，元朝完成了统一，忽必烈成为全中国的皇帝。
建国定制巩固统治
忽必烈的施政思想，受中原文化影响极大。早在他继承汗位之初，翰林学士徐世隆就上奏说：“陛下帝中国，当行中国事”，认为只有推行中原王朝的治国之道，才能当中国的皇帝。这其实是希望忽必烈能在中原推行汉法，以中原王朝已有的模式统治汗国。忽必烈也认为立足汉地，蒙古原有的统治方式已不可行，于是，在他继承汗位之后，即推行汉法，进行了一系列的改革。灭亡南宋后，更是把这些改革措施推行至元朝的各个地方。