蒙古灭大理之战发生于1252年（蒙古宪宗二年、大理天定元年）至1254年（蒙古宪宗四年、大理天定三年），在蒙哥攻宋之战中，蒙古宗王忽必烈率军攻灭大理国的远程奔袭作战。
1252年蒙古大汗蒙哥令其弟忽必烈、大将兀良哈台共同征位于云南的大理国，蒙哥封摩些蛮主为玛哈罗嵯，翌年平，并委段兴智续任总管。大理最终成为元朝的属地，后改为元云南行省的控制；原大理东部成为元梁王国。
元宪宗二年（1252年）七月，蒙哥汗命其弟忽必烈征伐大理。老将兀良哈台速不台元帅之子总督军事，士人姚枢、刘秉忠等为随行参谋。
云南地区早在唐代就由南昭国（乌蛮族，即今彝族人建立的政权）统治。宋时白蛮族（今白族）取得政权，建立了以大理为都城的大理国。其统治区域包括今云南、贵州、广西西部和四川南部，以及缅甸、泰国、老挝的一些地区。主要民族为彝族和白族，还有摩些（今纳西族）、和泥（今哈尼族）、金齿、白夷（今傣族）和与他们杂居的汉族等。此时，大理国事衰微，有些地区的少数民族正在游离大理国的统治。
同年秋，忽必烈从蒙古挥师南下。翌年夏，忽必烈率军驻屯六盘山；秋季，部队通过临洮（今甘肃临洮），取道吐蕃（今四川甘孜藏族自治州地区），到达忒剌（今四川松潘）。
然后，兵分三路向大理进军。兀良哈台率军由西路晏当（今云南丽江北部）挺进；诸王抄合、也只烈率东路军白蛮境（今西昌、会理境）深入；忽必烈带领中路兵马，经过大雪山，跨越大渡河，穿行2000余里，抵达金沙江北岸。忽必烈军队分别招降了大理以北400余里的摩些等部。冬天，西路军也到此会合，并迅即渡过金沙江。
忽必烈派使者前往大理招降。大理国拒绝投降并杀死蒙古使臣。于是，忽必烈与兀良哈台分兵进攻大理。十二月占领大理首府太和城（云南大理府）。大理国主段兴智与权臣高祥、高和兄弟弃城逃遁。
忽必烈命姚枢裂帛为旗，写上禁止杀戮的命令，大理居民得以保全性命。
他又命姚枢等人搜访大理国图书典籍。此时东路军也已取道吐番到达大理。忽必烈命人追击高祥兄弟，擒斩于姚州（今云南姚安）。
元宪宗四年（1254年）春，忽必烈率军北返，留兀良哈台戎守大理，并继续征服未降伏之诸部；任命刘时中为宣抚使，治理云南地区。忽必烈复经吐蕃，吐蕃降服，将十三部吐蕃交付八思巴统辖，率军回关中驻营。
是年秋，兀良哈台继续向东追击段兴智，进取善阐（今云南昆明），城陷。段兴智逃到昆泽（今云南宜良），终于被蒙军擒获。兀良哈台遣送段兴智等首领去见蒙哥大汗。蒙哥施以怀柔，赐金牌，让他们回去继续管理原属各部。段兴智回部后，献出地图，并统率本族军队。亲自为先锋，引导兀良哈台去征服继续抵抗的各部。
蒙古军经过两年的激烈征战，至元宪宗七年（1257年）初，相继征服了赤秃哥（今贵州西部）、罗罗斯（今四川凉山彝族自治州地区）和白蛮波丽国（今元江一带）。从此，大理五城的八府四郡之地和大部分乌蛮、白蛮部归附于大蒙古汗国。兀良哈台在云南设置统治机构，管理这一地区的事务。
忽必烈通过武力征服和统一了大理各部，后又设置了郡县制度，在大理屯田，推广中原地区较为先进的生产技术，同时传播科学与文化，使云南地区的经济一时得以快速发展。大理之归附，其历史意义更为深远，为中国多民族国家的形成和发展产生了重大作用。