自宋蒙端平开战以来，蒙古军一再深入四川腹地。巴蜀一失，敌军顺流而下，南宋长江防线就将形同虚设，因而构筑长江上游的防务体系，事关抗蒙战争的全局。嘉熙三年（1239年）秋，蒙古大军攻入川东，直指夔门。理宗急命孟珙率师入川救援，宋军在归州（今湖北秭归）、巴东（今属湖北）阻击住了蒙军，解了燃眉之急。
事后，孟珙主张在夔州设立制置副司，协调指挥涪州（今重庆涪陵）、万州（今重庆万县）以下的长江防御，筑起第一防线；在鼎州（今湖南常德）、澧州（今湖南醴陵）屯驻重兵，形成第二防线；在辰州（今湖南沅陵）、沅州（今湖南芷江）、靖州（今湖南靖县）、郴州（今属湖南）和桂阳军（今湖南桂阳）构建第三防线。这一防御体系极具战略眼光，已预计到蒙古军可能迂回大理国，从广西、湖南对南宋进行战略包围。
次年，孟珙任四川宣抚使兼知夔州，不久又兼京湖安抚制置使，统一指挥四川、京湖两大战场的防务，实施构筑第一、二道防线。淳祐元年（1241年），撤销四川宣抚司，但将夔州路从四川制置司划归京湖制置司，孟珙以京湖安抚制置大使兼夔州路制置大使，置司峡州（今湖北宜昌），仍全面主持川鄂防线。
这年，成都再次被蒙军攻陷，四川告急。次年，理宗决定派余玠出任四川安抚制置使兼四川总领，主持四川军政，置司重庆。这是因为成都地处平原易攻难守，且数度沦陷，凋敝不堪，而重庆依山傍江，扼长江之咽喉，在宋蒙战争中的战略地位明显上升。
余玠以恢复全蜀为己任，上任伊始就设招贤馆，礼贤下士，广揽人才，王坚、张珏皆入其幕下。早在嘉熙四年（1240年），为避蒙古兵锋，四川制置副使彭大雅筑重庆城时，就在合州（今重庆合川）钓鱼山筑砦，作为重庆的屏障。余玠入川不久，就采纳了播州（今贵州桐梓）冉琎、冉璞兄弟的建议，根据四川特殊的地形条件，在合州钓鱼山依山筑城，积粟治军，迁州城于此，以阻挡蒙古骑兵的攻袭。
余玠随后又把构筑山城的做法推广到其他州郡，先后建成十余座山城，著名的有云顶（今四川金堂南）、营山（今四川营山西）、大获（今四川苍溪东南）、苦竹（今四川剑阁北）、青居（今四川南充南）、得汉（今四川通江东）、天生（今重庆万县西）、白帝（今重庆奉节东）等。余玠的后继者王坚、张珏继续修筑着山城，总数达八十余处。这些建在四川主要水系上的山城，完整构建起一个如臂使指，气势联络的山城防御体系，在其后抗蒙战争中发挥了重大作用。
余玠还总结了一套抗蒙斗争的经验：一曰以逸待劳，不可轻战；二曰聚保山险，不居平地；三曰多用夜劫，不可昼战；四曰收聚粮食，毋以资敌。史称余玠治蜀多年，“军得守而战，民得业而耕”，抗蒙形势出现前所未有的转机。他便主动出击，恢复失地。淳祐十一年末，王坚收复兴元府（今陕西汉中），宋军重新在蜀口之外站住了脚跟。
利州都统制王夔恃功跋扈，余玠将其处死，派部将杨成代领其军，利州都统司则派出了本司统制姚世安前去接替。四川武将桀骜骄横，主将去职举代部属接掌军队也久成风气。余玠决心革除这种弊端，再派一姓金的都统制率兵前往接管，不料姚世安竟武力抗拒。
这时，余玠的支持者左相郑清之病故，谢方叔升任左相，他的侄子恰好避乱在利州都统司所在的云顶山上，姚世安就请他在朝中为自己说话。谢方叔偏听偏信，在理宗面前胡说余玠飞扬跋扈，居心叵测。
有吴曦、安丙的前例，有祖宗的家法，理宗也起了疑心，宝祐元年（1253年），下诏召回余玠。余玠对朝廷颠倒黑白的处理义愤填膺，接诏以后，服毒自杀。余玠治蜀，厥功甚伟，赍志而殁，壮士扼腕。川蜀百姓闻其死讯无不悲慕如失父母，好不容易有一个人才，朝廷却轻信谗言，连一个余玠都用不得。
淳祐十一年，蒙哥汗即位，他逐渐将战略重点移向南宋。宝祐元年，他派忽必烈分三路进攻云南，次年灭大理国。宝祐三年，蒙古灭安南，最终完成对南宋的战略大包围。宝祐五年，蒙军试图从安南北上广西，南宋派出李曾伯担任广南制置使。他此前在京湖安抚制置使任上，曾整顿孟珙死后留下的防务系统，再度收复襄阳和樊城，富有抗蒙战争的经验。到任以后他成功扼住了蒙古军北上的进路，确保了中南腹地的安全。两淮战场一直是南宋防御的重点，四川依山筑城的经验也因地制宜推广到两淮，蒙古军的进攻很难得手。
宝祐六年，蒙哥汗决定三路攻宋：自己亲率主力四万攻打四川，然后出峡东下；塔察儿领兵南下，进攻荆襄；兀良合台从安南出兵，经广西北上；三路大军会师鄂州（今湖北武昌），再合力东攻临安。
蒙哥主力入大散关，由利州（今四川广元）直取剑门，经过近一年艰苦攻战，岁末打到钓鱼城下。这时四川已大部沦陷，王坚以兴元都统制兼知合州。他到任后就发动军民重新修缮钓鱼城。
钓鱼城周长十余里，山顶地势平旷开阔，上有充足的水源与足够的良田，军民耕战结合而无后顾之虞。钓鱼山高近四百米，嘉陵江与渠江环绕其南、北、西三面，山腰据险筑起两道二三丈高的城墙，又筑“一字城”直达嘉陵江岸，可安然保持与外界的联系。当时，迁入钓鱼城内避乱的民众多达十余万。
蒙哥派降将晋国宝前来劝降，被王坚在钓鱼山阅兵场当众处死。开庆元年（1259年）二月，蒙古大军渡过渠江，蒙哥亲自督战攻城，双方攻守战打得十分激烈，但蒙军始终无法得手。四月，蒙古军一度袭破一字城外城，但旋即被宋军击退。
蒙古军旷日持久，师老兵疲，时值盛暑水土不服，疫疾蔓延。宋军以逸待劳，不时夜袭敌营。南宋政府听说蒙军入川，即派吕文德出任四川制置副使兼知重庆府，负责川蜀抗蒙大局。五月，吕文德率战船千艘驰援合州，遭到蒙将史天泽的邀击，只得返回重庆。
六月，蒙将汪德臣单骑到钓鱼城下招降，城上发飞石将其击死，蒙军士气越发低落。相反，王坚则命守城宋军向城下蒙古军投掷鲜鱼面饼，并致书说：“你们北兵可烹鱼食饼，再攻十年，城亦不可得！”蒙哥见钓鱼城固若金汤，久攻不下，只得黯然撤军，命主力转攻重庆，自己则死在退兵途中的温汤峡（今重庆北温泉）。
关于蒙哥汗的死因，众说纷纭，莫衷一是。一说病死，所染即为痢疾；一说中飞石或飞矢而死；一说因炮风所震，得疾而死。一般认为，蒙哥是在钓鱼城东瞭望指挥时被炮石击伤而死的。据说，蒙哥临死遗言：“若克此城，当尽屠之。”为了发泄攻城失利的愤懑，蒙古军在护丧所经途中，杀无辜平民二万余人。
蒙哥一死，各路蒙军先后北撤，南宋政权转危为安。其后十余年间，宋蒙战争未发生重大战役，这是因为忽必烈继承汗位后，专注于解决内部纷争与推进封建化进程。封建化进程弱化了蒙古军的原始野蛮性，也相应减轻了宋元替代过程中社会生产力的破坏强度。
钓鱼城之战是南宋方面自宋蒙战争以来取得的最大胜利，不但有力阻扼了蒙古军的凌厉攻势，挽救了川蜀的危局，而且为余玠奠立的山城防御体系取得了重要的实战经验，极大鼓舞了南宋军民的抗蒙斗志。