1275年，即至元十二年，忽必烈下定决心灭宋，他命伯颜率领元军直逼临安。伯颜受命后，召集攻宋将帅部署方略，确定了“分诸军为三道，会于临安”的作战部署。这年11月，伯颜分兵三路进攻临安：西路由参政阿剌罕、四万户总管奥鲁赤率蒙古骑兵出建康，向溧阳、建平（今安徽朗溪）、独松关进军；东路由参政董文炳、万户张弘范、都统范文虎率水师由镇江沿江入海，向海盐、澉普（今浙江海盐南）进军；中路由伯颜驭之，率水陆两军出镇江，向常州、无锡、平江（今江苏苏州）进军。伯颜同时节制诸军。
伯颜做出如此部署是基于以下考虑：自建康经溧水、溧阳等地至临安，多为丘陵地带，河湖很少，是骑兵的用武之地，可快速进抵临安，威慑宋廷；宋军在东线沿海水域有一定优势，钱塘江口是临安的门户，东陆元军卡住这个入海门户，既可堵截宋廷的海上逃路，又可遏制南援的宋军；常州、无锡一线则是宋军的重点防守地带，且河湖交错成网，岸上城堡密布，易于水陆联防，元军如果忽视此线，宋军便有可能从此处溃逃或反击，所以伯颜亲率中路军由镇江循此线南下。
三路大军按原定计划南下，在常州与南宋军队展开了激战，宋军多数献身沙场。11月16日，伯颜督军常州，筑台发炮猛轰，连攻两昼夜，终于破城。常州失守，无锡、平江守军不战而降。后来因为谢太后的消极政策，伯颜兵不血刃就进入了临安城。
这里提到的伯颜是元初的开国名将（一定要区别于后期擅权的奸臣伯颜），出身于蒙古的名门大家，少时长于伊尔汗国，跟随父亲南征北战，积累了丰富的战斗经验。至元元年（1264），伯颜奉旭烈兀之命入朝奏事，忽必烈见其容貌伟岸，听其言辞严厉，便下令：“非诸侯王臣，其留事朕。”就这样，伯颜留在了忽必烈身边，成了忽必烈的一名得力干将。
宋濂在《元史·伯颜传》中曾评论说：“伯颜深略善断，将二十万众伐宋，若将一人，诸帅仰之若神明。毕事还朝，归装唯衣被而已，未尝言功也。”
“军旅之神”伯颜，除了具有卓越的军事指挥才能，还有一套值得称道的治军方法。有效的治军方法，卓越的指挥才能，二者结合，使伯颜成为一代军神。战斗中，特别是危急时刻，伯颜尤其注意身先士卒，用自己的勇敢行为去影响士卒。据史书记载，在阳罗堡大战时，他披坚执锐，亲冒矢石，临于行阵，指挥诸将帅杀得宋军死者无数。在攻打常州时，宋军防守坚固，元军久攻不下。伯颜来到常州，即令帐前军先登，率先把军旗插上城头。目睹此景的诸军将士欢欣鼓舞，异口同声地高呼：“丞相登上去了！”因为伯颜的身先士卒，将士们深受鼓舞，随之，全军奋勇登城，宋军溃逃而去。(www.xing528.com)
伯颜除了能征善战，还是一个心胸宽广的人，他一改过去元军对占领地的屠城做法，对战地人民实行优抚政策。这也从一定程度上，为元朝政府赢得民心做出了贡献。
1274年，由于史天泽年迈，忽必烈提拔伯颜做了中书左丞相，率领元军继续伐宋。伯颜上任前，忽必烈对他说：“当年宋太祖的大将曹彬奉命进攻南唐，曹彬从不滥杀无辜，一举平定江南。你也要效法他，别让我的人民横遭锋刃。”后来在整个伐宋的过程中，伯颜确实做到了“不滥杀无辜”这一点，采用了怀柔的策略。
元军攻宋期间，正逢江南疫病流行，江南百姓更是因为战乱流离失所，一些地区甚至发生了饥荒。伯颜看到这种情况后，下令开仓赈饥，发药治病。江南百姓因此大为感激，称伯颜的军队为“王者之师”。丁家洲战役后，在元军的武力与怀柔政策下，南宋军民多不战而降。元军攻入临安后，伯颜下令不要抢掠，并封存府库，登记钱谷，并明言不得擅自进城，有抢掠者，军法处置。
伯颜回京后，权臣阿合马认定伯颜从临安得到很多宝贝，打算从伯颜那儿捞点好处，但未能如愿，于是就怀恨在心，几天后在忽必烈面前造谣说伯颜私藏了宋室至宝玉桃盏。忽必烈听后，非常震惊，立即派人追查此事，但终因证据不足，且适逢用人之际，事情也就不了了之。直到阿合马死后，这件事情才终于真相大白，原来一个宫人找到了玉桃盏，并呈献给忽必烈。忽必烈看着那个玉桃盏感慨自己差一点儿让忠良受了冤屈。
伯颜曾在自己的诗中写道：“担头不带江南物，只插梅花三两枝。”的确，在整个南征过程中，伯颜未乱杀一人，进临安后也未取一物，这种行为在古今将帅中是少有的，伯颜不愧为一代名将、军旅之神！
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