因为对拔都这种做法不满，所以察合台系宗王（成吉思汗次子后裔）、窝阔台系宗王大多没有理会拔都，但拖雷系宗王却在拖雷遗孀唆鲁禾帖尼的力主下，由蒙哥出面，带着所有的弟弟前往拔都驻地，参与忽里台大会。海迷失称制二年（1250年），拔都版的忽里台大会召开。在会上，拔都为了打击察合台、窝阔台系宗王，于是极力赞誉前来参会的拖雷长子蒙哥能力出众、功勋卓著，是新任大汗的最佳人选，强烈推举他继任大汗，同时指责当年贵由继位就不合礼法（窝阔台遗命由皇孙失烈门继位，而不是贵由），因此窝阔台一系没有继位的资格。
在察合台、窝阔台系宗王缺席会议、且拔都为首的术赤系宗王都支持蒙哥的情况下，身为拖雷嫡长子的蒙哥在忽里台大会中顺利当选，出任蒙古第四任大汗。不过，这个结果不被察合台、窝阔台系宗王宗王所承认，还在“称制”的海迷失皇后更加不会承认。为了获得合法地位，唆鲁禾帖尼和蒙哥母子立即返回蒙古本部，并向各地宗王、大臣发出在斡难河畔继续召开忽里台大会、以再次确认汗位继承人人选的会议。
在唆鲁禾帖尼的大力笼络下，大多数宗王大臣应邀前来，并于海迷失称制三年（1251年）六月，在斡难河畔再次举行了忽里台大会，最终确认了蒙哥继任大汗的合法性和有效性。蒙古汗位的传承，从此由窝阔台系转到了拖雷系。对于这个结果，窝阔台一系宗王坚决不承认，察合台系宗王也持反对意见，黄金家族内部的分裂由此发端。为了巩固汗位，成功上位的蒙哥对反对者进行了无情的镇压，贵由汗之妻海迷失皇后因为暗中策动窝阔台系宗王反对蒙哥，并对蒙哥施以巫术，事情败露后，被蒙哥下令装进牛皮袋，投入河中淹死。
当年窝阔台汗指定的继承人失烈门，也被蒙哥下令处死，以绝后患（蒙哥对养父的子孙太狠了）。蒙哥汗元年（1251年、蒙哥继位当年即改元），蒙哥以二弟忽必烈总领漠南汉地，南征大理；以三弟旭烈兀为主帅，进行第三次西征。忽必烈率军于蒙哥汗四年（1254年）攻灭大理，对南宋形成三面包围。而旭烈兀则在西征中消灭卢尔政权、木剌夷国、阿拔斯王朝、阿尤布王朝，横扫小亚西亚。
在蒙哥统治时期，蒙古的版图几乎达到最大。蒙哥汗八年（1258年），蒙哥亲率大军南下，和二弟忽必烈、大将兀良合台会合，三路围攻南宋，其中蒙哥率主力进攻四川。蒙哥汗九年（1259年），在对合州（重庆市合川区）的进攻中，蒙哥所指挥的军队受阻于钓鱼城下，接连几个月都没能攻破城池。当年八月的酷暑之中，蒙哥于钓鱼城外军营中去世，死因成谜，有说是得了急性痢疾，有说是不慎落水，还有的说是被钓鱼城中守军发射的矢石击中身亡，总之没有明确定论。
