北方政局稳定后，元世祖忽必烈以宋朝拘囚郝经为借口，举兵南下灭宋。他决定采用南宋降将刘整的建议，集中力量攻取南宋汉水中游南北岸两大军事重镇襄阳（今湖北襄樊市汉水南市区）、樊城（今湖北襄樊市汉水北市区）。襄阳与樊城相对成犄角之势，是扼守长江的屏障。南宋在这里设重兵防守，江面上铁链封锁，架浮桥相通，易守难攻。
公元1268年（元世祖至元五年），忽必烈命阿术、列整督师采取长期围困、先困后取得作战方针，在襄阳城东建筑城堡，切断它与汉东地区的联系，并在此造舰船、练水军，绝援襄阳粮道的方法，以此造成守军处于孤立无援的处境，但是由于襄阳广大军民士气高涨，该城始终没有攻下。
到公元1272年（元世祖至元九年），襄、樊已经被包围了五年了。在这期间南宋京湖制置大使李庭芝造轻舟百艘，装载粮草，募民兵三千，由民兵不辖张顺、张贵率领，支援襄阳。张顺率兵转战一百二十里，到达襄阳城，可是中箭身亡。张贵约定范文虎夹击元军，可是由于范文虎拒不发兵，最后张贵战败，被元军擒获，由于不肯投降而被处死。
为了更有效的作战，忽必烈派人到西域征调炮匠制造了威力巨大的“回回炮”。不久炮匠来到京师，忽必烈亲自监督制炮，初次试炮即告成功，于是将炮运到襄樊前线。公元1273年（元世祖至元十年）正月元军切断了襄樊水上联系，首先向樊城发起了总攻。数门回回炮齐发，炮石重达五十斤，“声震天地，所及无不摧毁”，同时步兵与水兵跟上，将士们个个奋勇杀敌。宋军守将范天顺、牛富率兵百余人巷战，兵败，投火自尽，樊城被攻陷。二月元军移师襄阳，守将吕文焕由于害怕元军的威势，不战而降。于是历时五年之久的襄樊之战宣告结束，南宋的中路防线被突破了。
元军占领襄阳后，等于打开了南宋的大门，宋王朝的崩溃已经是无力挽回了。