那里刚好听说鄂州的守城将领张胜战败身亡，城市中死伤惨重，多达一万三千人，贾似道感到非常恐惧，秘密派遣心腹将领王哀，到蒙古军营，拜见忽必烈，请求向蒙古称臣，每年交纳钱币。
忽必烈语气强硬，没有答应他的要求，他的部下郝经劝告他说：“今天蒙古国遭遇大汗去世的大丧事，国家没有君主，在皇帝宗族里的各位王爷，都企图继承汗位。倘若他们先发制人，派兵抗击和阻挠亲王，那样我们就会腹背受敌，难于应付。不如对宋朝送一个顺水人情，现在就与宋朝进行和平谈判，达成和平协议，现在抓住时机，立即率军向北归去，另外派遣一支军队迎接先皇帝的棺材，收取象征国家权力的传国玉玺，召集各位亲王前来共同办理大汗的丧事，商议和决定继承汗位的大事，那时亲王就会顺应天命，赢得人心，自然就可以稳稳当当地登上大汗的宝座了。”忽必烈后来之所以获得大汗的宝座，都全靠这一难得的劝告。
忽必烈听了郝经的劝告，如醍醐灌顶，翻然省悟，就与宋朝京城达成和平协议，他命令宋朝向蒙古献出长江以北的地区，另外每年向蒙古交纳白银和绢各二十万，就撤退军队凯旋班师，返回了北方。
这里兀良合台刚刚准备向东挺进，以接应忽必烈率领的军队作战，正率领军队攻占潭州，后来得到了蒙古的宋朝进行和平谈判的消息，就率领军队向东进发，到了鄂州的时候，听说忽必烈已经正在返回北方的途中，也率领军队随着返回北方去了。
贾似道看见蒙古军队向北撤退，发起反攻，命令部下将领夏贵等人，追杀蒙古军队后卫军士百多人，向皇帝谎报军情说，宋朝各路大军都取得了胜利，把获得的蒙古俘虏献给宋国朝廷。
头脑糊涂的宋朝皇帝宋理宗，竟然相信了他骗人的鬼话，赞赏贾似道新立战功，召唤他返回朝廷，封赏他为卫国公，加官晋级，宠爱有加，这真是天底下少见的奇怪事件！也许不是奇巧事件，而是呆鸟行为。如此昏庸无道，宋朝岂能不亡？
忽必烈返回北方的燕京，听说有人在路途中不断收编军队扩充队伍，还找借口说是宪宗去世时留下来的命令。忽必烈说：“蒙古的兵马充足，哪里用得着收编军队。扩充队伍，这种做法必定是驻扎在和林人，在暗地里想发动叛乱，所以才产生这样的举动。”
随即颁布命令放还收编的民兵，这一举措很得人心，人们非常高兴。进军到开平的时候，各位亲王末哥、哈丹、塔齐尔等都前来参加会议，他们都表示愿意拥戴忽必烈当大汗。
忽必烈欲取先予，坚决推辞，拒不接受，后来接到西域旭烈兀送来的书信，他在信中说西征军已经取得全面胜利，正在整顿军队，班师回国。旭烈兀在信中衷心敦请忽必烈当大汗。忽必烈就答应他们的请求，等不到库里尔泰会议的推举，登上了大汗的宝座，当上了新的大汗。
忽必烈从青年时代就已结识中原文士，熟悉中原汉地的情况。1251年蒙哥即位后，忽必烈受命治理汉地，在以后十年间，继续聚集流落的儒生和地方军阀的门客，在他周围组成一个幕僚集团。1252年，宋军攻打河南边地。忽必烈请准蒙哥在河南设经略司，任命蒙哥、史天泽、杨惟中、赵璧为经略使。
1253年，蒙哥分赏诸王，忽必烈得到京兆封地。忽必烈建立京兆宣抚司。1254年夏，忽必烈驻六盘山。1256年，忽必烈又增受怀孟州封地。1260年，忽必烈派幕僚覃澄为怀孟路总管。
1252年六月，忽必烈去曲先脑儿，是蒙哥夏天避暑的地方，进见蒙哥汗。蒙哥命忽必烈率军征云南。1253年，忽必烈率领大军在六盘山度夏。秋天，大军经过临洮进入藏族地区，到达忒刺，即今天的四川松潘地区。
1254年初，忽必烈军包围了大理城。大理军民出城迎战失利。段兴智和高祥弃城逃走，大理城陷。忽必烈派大将也古和霸突鲁追击高祥，斩于姚州。
忽必烈势力的发展，引起蒙哥的疑忌。1257年，蒙哥命阿蓝答儿等在关中设钩考局，查核京兆、河南财赋。阿蓝答儿等从河南经略司、京兆宣抚司的官员中，罗织一百余条罪状，其用意是消除忽必烈所信用的官员，削弱他的势力。这年十二月，又亲自去朝见蒙哥。蒙哥见忽必烈来朝，相对泣下，要他不必再作表白。
蒙哥汗去世了，遗留下了三个弟弟：忽必烈、旭烈兀和阿里不哥，忽必烈成为未来蒙古帝国的大汗。旭烈兀自1256年成为波斯汗后，由于远离蒙古高原，而没有要求继承大汗位。剩下的只有忽必烈和阿里不哥。阿里不哥作为幼子，已经成为蒙古汗国本土上的统治者，并在蒙古都城哈拉和林扎营。作为蒙古地区的统治者，他准备在蒙古召开库里勒台，以确保他被举为大汗。而忽必烈抢在他之前行动。
忽必烈率军从武昌北上，在中原的开平上都府，位于今察哈尔和热河之间的多伦诺尔附近，在那里建大本营，早些时候，他只是在这儿建起了他的夏季驻地。1260年6月4日，他在此被他的党羽，即他的军队，拥立为大汗，当时他44岁。
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