1235年， 宋蒙戰爭全面爆發。 至1241年， 蒙軍蹂躪南宋大片土地， 四川是繼京湖戰場、兩淮戰場後的第三大戰場， 是遭蒙軍殘破最為嚴重的一個地區。 這年蒙古窩闊台汗去世， 內部政爭不斷， 對南宋的攻勢減弱。 南宋由此獲得良機， 對各個戰場的防禦進行了調整、充實。
1242年， 宋理宗派人在四川採取了一系列政治、經濟和軍事措施， 其中最重要的是創建了山城防禦體系， 釣魚城即是山城防禦體系的核心和最為堅固的堡壘。
在成吉思汗幼子拖雷的長子蒙哥登上汗位不久， 便決定發動大規模的滅宋戰爭。
1258年秋， 蒙哥率軍4萬分三道入蜀， 相繼佔據劍門苦竹隘、長寧山城、蓬州運山城、閬州大獲城、廣安大良城等， 迫近合州。 合州釣魚城成為阻擊蒙古軍的堅強堡壘。 蒙哥汗遣使到釣魚城招降， 宋守將殺使拒降。
開慶元年（1259年）二月， 蒙哥進駐石子山， 親自督陣攻城。 從二月到五月， 先後猛攻一字城和鎮西﹑東新、奇勝、護國等城門以及外城， 均被擊退。 六月， 宋四川制置副使兼重慶知府呂文德率戰艦千艘往援， 為史天澤擊敗， 退回重慶。 蒙古軍加緊攻城， 仍不能破， 其先鋒大將汪德臣被擊傷死去。 接著， 蒙哥亦被擊傷， 七月二十一日死於軍中， 蒙古軍被迫撤圍。
蒙哥死後， 蒙古貴族在汗位繼承上發生火拼， 在湖北前線的忽必烈匆忙北撤， 爭奪汗位。 釣魚城抗蒙的勝利， 扭轉了局勢。 此後， 馬千代替王堅為合州主將， 景定四年（1263）張玨又代馬千。 張玨守合州， 屢敗元軍。 德佑元年（1275年）王立又代張玨為合州安撫使。 祥興二年（1279年）正月， 王立降元， 堅守三十餘年的釣魚城終於失陷。
雖然釣魚城失陷， 但在當時卻重創蒙軍， 使蒙哥汗敗死， 已是十分不易， 且其在抵抗了36年後全身而退， 以蒙軍不殺一人作為投降條件。 在冷兵器時代， 釣魚城充分顯示出了它的防禦作用， 因此釣魚城之戰在中國古代戰爭史上佔有重要地位。