1259年9月，正准备渡江的忽必烈接到弟弟木哥的来信，信中证实了蒙哥汗猝亡的消息，并让他速回北方以定大计。收到消息之后，忽必烈命令大军暂时停止前进为蒙哥汗默哀，并思考下一步应该怎么办。有人建议忽必烈返回，但是忽必烈在经过深思熟虑之后认为不能因此停止南征计划，决定继续执行蒙哥汗生前的命令，进行南征。事实证明忽必烈的这个决定是十分明智的，在这个关键的时刻，等待许久的忽必烈总算是等到了让自己一展身手的机会。
这时忽必烈接到前锋茶忽截获的南宋情报：“从阳罗堡渡江，会合于鄂州。”忽必烈接到此消息后立即召集自己的幕僚进行商议，最后决定从阳罗堡渡江，会和南部大军，攻击南宋。为了鼓舞士气，忽必烈派忽刺孙到军营慰劳。
九月三日，忽必烈亲自登上香炉山视察敌情，只见宋军在岸边搭建城堡防备，在岸边还有大船隔断，有横断江河的势头，忽必烈看到这个形式当即决定第二天早上渡江。九月四日黎明，天气昏暗，众将士都以为没法渡江，董文炳主动请缨带领敢死队将士渡江，忽必烈亲自为这些将士挑选铠甲。兵分三路出发，此时天气也正好放晴，宋军派将士迎战却失败而归，张荣实率领将士从北岸进攻夺取宋军城堡，最后宋军失败而归，溺水而亡的士兵不计其数，蒙军夺取战舰千艘。
收到董文炳传来的报捷之后，忽必烈调动所有驻军渡江参加围城之战。蒙古军渡江后，忽必烈下令不得侵用民众财产，果然将士都遵照此令。忽必烈有对儒士十分尊重，放还儒士五百余名。为了更清晰的查看战场，忽必烈在城东北头驼峰上建筑五丈高楼，以便观察敌情。虽然渡江围城很顺利，但是对鄂州的攻取却不尽如人意，宋军守城将士张胜软磨硬抗，与蒙古军开展拖延战术，骗取蒙古军后撤，然后防火烧毁城外民居，及加固城楼防卫。后来忽必烈又想法设法攻打鄂州，派张柔制造鹅车，在城墙下挖洞，也曾屡次攻破城墙，可攻守之役扔持续不下。这时忽必烈意识到自己在初期有些轻敌，因此才使得鄂州久攻不下，为了能够更好的保存自己的实力，忽必烈决定撤退北还。
虽然忽必烈不得已撤退，在这场战役中也损失将士无数，但是这次渡江作战使得忽必烈的军队和南部大军汇合，从而更大的提升军队实力，而奉蒙哥汗命令攻打湖南的兀良合台部队也成为忽必烈政治上的重要军事力量之一。
