史书记载了双方军队之间的多次冲突。在1260年8月、1261年11月、1262年3月、5月和6月，南宋军队跨越边界袭击蒙元；1261年2月和1262年7月，忽必烈的军队向南宋展开了报复性军事反击。1265年初，第一场重大战役爆发了。两军在钓鱼山附近遭遇，忽必烈的军队取得全胜，并且俘获了一百四十六艘战船。
缴获南宋战船显示了忽必烈越来越意识到蒙古军需要建立一支海军。此时忽必烈已经认识到，要战胜南宋，他必须拥有一支强大的水上作战部队，于是开始着手夺取战船或修造战船。他的努力给人以深刻印象，因为正如一位中国海战史学家所写道的那样，“一个不熟悉海洋的马上民族，能够如此迅速地适应海战，真是非比寻常”。
南宋变节者刘整是造船计划最热心的鼓吹者之一。他坚持认为，没有战船，蒙古人就无法征服南宋。他的鼓吹得到了忽必烈的支持，蒙古人终于建立了一支由四部或四“翼”组成的海军，并在双方初期的一场决定性战役中显示了实力。
双方交战的地点是在襄阳，这场战役标志着战争的转折点。战事从1268年开始，是征宋战争中持续时间最长的一场战役，最后以蒙古人的胜利而告终。《元史》、拉施都丁，以及马可·波罗对此都有详细描述。马可·波罗甚至声称亲身参加了围攻襄阳城的战斗，不过这是根本不可能的事，因为这场围城战在他到达中国两年之前就已经结束了。襄阳和毗邻城市樊城位于今湖北省的北部边界，坐落在汉水两岸，二城隔水相望，汉水在更南部的武昌汇入长江。其重要性在于其独特的战略地位：它们是进入长江流域途中的最后堡垒，守护着通往长江中游江汉平原、东南和西部地区的交通要道。夺取这两座城镇将为蒙古人提供一个基地，可对南部其他地区发起攻击。拉施都丁的受访者后来告诉他说，汉人在襄阳修筑了坚固的防御工事，襄阳有“坚固的城堡、坚实的城墙和很深的护城河”。南宋朝廷任命吕文焕为这座似乎固若金汤的城池的总指挥官。
为了消除南宋襄阳守军的抵抗，蒙古军队不得不展示他们最近刚发明的攻城和海战战术。他们起初希望用饥饿法迫使南宋守军放弃抵抗，但他们很快发现，他们必须切断向襄阳运送给养的水道。他们所需要的是完全控制汉水水域，并尽可能向南延伸到长江。南宋会设法通过水路向襄阳输送物资和增援部队。忽必烈的部队必须设法阻止他们的行动。要粉碎防御者的抵抗，忽必烈的部队最终必须用炮火猛攻这座城堡。但南宋军队占据有利地形，严阵以待，蒙古人意识到他们将为此付出惨重的伤亡代价。因此，他们需要火炮的支持，以避免这种巨大的损失。
忽必烈为这次战役选定的指挥官再次显露了他的用人策略。他所任命的将领并非清一色的蒙古人，也非来自任何一个单一的民族。刚刚投降蒙古并向忽必烈透露南宋政治和军事弱点所在的刘整，在忽必烈登上大位之前就投降蒙古的史天泽，是这次战役中最著名的汉人将领。畏兀儿人阿里海牙被证明是最成功的指挥官之一。阿术是参与围城战的主要蒙古将领。亦思马因和阿老瓦丁则是来自中东的穆斯林，他们设计的火炮在对襄阳的最后攻击中发挥了重要作用。此外，高丽人和女真人建造的战船也在围城时派上了用场。在今天看来，参与襄阳攻城战役的其实是一支多国部队。还有一个例子显示忽必烈是如何把“广罗人才，为我所用”的策略发挥得淋漓尽致的。他愿意招募非蒙古人，并将大权，甚至军事指挥权授予他们。这些将领所指挥的部队也是由不同族裔构成的。忽必烈任用的这些将领花了差不多五年时间才占领襄阳。这些将领步步为营，逐渐缩小包围圈，加强对该城的封锁。但即使如此，他们也没有料到将遇到如此漫长的围城之战。襄阳居民储存了大量食物，一些货船偶尔会穿过蒙古人的封锁线，向城中被围困的汉人提供给养。这些都使得围城之战的结束变得遥遥无期。汉文史书很少记载战事的细节，但是，它们确实揭示了围城战是时断时续的事实。在此期间，围城有时被解除、暂停或失效。遗憾的是，这些失误的原因在史料中从来没有被披露过。
作为这次围城战的第一步，忽必烈于1268年初对山西和四川的官员下令，建造五百条小船。刘整计划用这些船只控制通向汉水的水路。几个月后，他便开始在襄阳南部的白河口和鹿门山建筑工事，防止运载货物的小船进入城内。到了10月份，忽必烈又指派蒙古指挥官阿术开始围困樊城。这时，驻守襄阳的南宋守军开始恐慌了。12月6日，他们试图突破蒙古军队的包围，结果遭到失败。据汉文史书记载，忽必烈的军队俘虏并杀死了无数敌军。仍处于包围中的南宋士兵在一段时期内再没有犯同样的错误，相反，他们耐心等候从南方来的物资和援军。果然，没过多久，在1269年8月，南宋将军夏贵率三千艘小船，攻击了鹿门山。然而，蒙古军队不仅击败了他，而且缴获了五十艘小船。
此时，忽必烈显然对围城战役的进展很不满意。在1269年2月，他派遣自己的得力干将史天泽前往襄阳视察军事部署情况，并提出改进建议。紧接着，他又在2月份批准调派两万名士兵增援阿术和刘整。4月，这两位指挥官采纳了史天泽的建议，把白河口和鹿门山的壁垒连成一片，使得进出襄阳城愈发困难。可是，这些步骤仍显不足，因为刘整和阿术在1270年4月再次请求增派七万名士兵和五千艘船只。即便如此，他们仍无法迫使南宋守军投降。于是双方形成了对峙状态。
宋廷依然在坚持，不愿屈服。史料指责贾似道愚蠢地执行了一项错误政策，故意误导宋帝对蒙古威胁严重性的判断。根据这些记载，贾似道谎称在1260年击败了蒙古军队，从而诱使宋廷低估了蒙古人的力量。由于他一直在欺骗南宋朝廷，失去襄阳将会破坏他的信誉。因此，他绝不允许他的襄阳守军投降。还有一些史料说，他一直在蒙蔽宋帝，使之对蒙古人围困襄阳的情况一无所知。这些说法完全是荒谬的。事实上当朝大臣对襄阳被围的情况一清二楚。一位汉学家最近研究发现，“《宋史·本纪》中大量记载了对襄阳和其他地区守军的赏赐，有一份圣旨宣布了对几位勇敢官员的提拔和金钱奖励，他们曾把官方信函送入被围困的襄阳城。”没有人应该为宋廷毫不妥协的立场受到指责，因为在拒绝对蒙古人做出让步的问题上，他们显然是团结一致的。南宋高级官员作为一个整体，都低估了蒙古人的实力，他们决不会轻易地在襄阳投降。他们决心继续向驻守在汉水附近的宋军提供物资供应。
同样，驻守襄阳的守军也决不会不战而降。他们有充足的食物和饮水供应，只是缺乏衣物、盐以及其他非生活必需品。因此，他们能承受长时期的围困。但是，他们偶尔也会派遣独立小分队尝试冲破封锁线。最典型的是发生在1270年3月18日的一次战斗。由一万名士兵、骑兵和一百条小船组成的军队企图杀开一条血路，突破蒙古人的防线。但是蒙古人早有准备。刘整有几百条小船可供调度，鹿门山的堡垒刚刚被加固过。刚刚抵达的战士准备好了迎头痛击匆匆赶来的敌人。在一次激烈的战斗之后，南宋军队遭受惨重伤亡，被迫返回到他们在襄阳的基地。宋廷明白，它的责任是继续不断地派船只向被围攻的宋军提供物资供应。大多数船只从未到达目的地，因为蒙古人的围困几乎是滴水不漏的。然而宋廷坚持要打破封锁。在1269年8月，南宋将领夏贵率领三千条小船开往鹿门山，但是他被击败了，损失了两千名士兵和五十条船只。第二年10月，范文虎又步夏贵之后尘，而他则损失了共计一千人和三十条船。另一次救援行动发生在1271年8月。这次尝试同样以惨败而告终，两千名南宋士兵失去生命。1272年9月，一支由三千人组成的南宋军队打进城内，但这是一次代价沉重的胜利。两位将领之一的张顺被杀，他手下的士兵被杀死的更多。他们运送的许多给养损失殆尽。当救援部队的残部试图撤离他们刚刚历尽千辛万苦到达的城堡时，才发现自己中了埋伏。许多士兵和将领被俘掳。
蒙古军队的封锁固然很有效，但是仍无法消磨南宋守军的斗志。他们已经把襄阳和樊城同南宋其他地区分割开来了，但他们无法制伏顽强的守军。他们无法杀入城内而不付出惨重的伤亡代价，也没有任何成功的保证。如果蒙古军队只是简单地保持围困而没有任何进攻行动，他们将会被永远地拴在那里。因此，他们需要支援以打破这种对峙状态。
两位穆斯林造炮师向蒙古军队提供了他们急需的援助。忽必烈曾向他的侄子，波斯的伊儿汗国可汗阿八哈汗求助，希望得到军事专家，帮助他粉碎樊城和襄阳的抵抗。1271年，阿八哈给忽必烈送来了亦思马因和阿老瓦丁。在蒙古汗廷做短暂的停留之后，这两位穆斯林在1272年末来到战区，勘测现场，开始着手修造战争机器。他们建造了投石器和弹射器，能把巨石抛掷到很远的地方。12月，蒙古军队开始使用这些装置对樊城发起攻击。有了如此强大的武器支持，阿里海牙终于攻陷了这座堡垒。在石头和炮弹的打击下，残余的南宋守军再也无法阻挡汹涌而来的蒙古军队，几天后，樊城陷落了。吕文焕收到樊城守军溃败的报告后，立刻意识到他自己在襄阳的部队也无法抵抗这种巨型火炮的攻击，但他没有立即投降。于是，两位穆斯林造炮师“视察了现场着力点，决定把火炮架设在城市的东南角。炮弹重一百五十斤，大炮发射时，震天动地，所到之处，皆为齑粉”。第二年3月，自忖无法胜过对方的火力优势，吕文焕投降了。为时将近五年的围城战终于结束了，南宋抵抗“北虏”的一个重要标志突然被拔除了。
即使忽必烈引进了攻城神器，但也是五年后才攻陷襄阳，所以科技会推动历史进程，但也是有限的，有时候人力胜天！
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