至元六年(1269年)，宋元正在進行襄陽的爭奪戰。元軍圍困襄陽的軍隊大部分是平叛後改編了的李璮舊部，以勇狠驕悍難加管束著稱。元政府正發愁難以物色到一個既有能耐。又得軍心的將領來統帥這支隊伍。恰巧有人提到張弘範的名字，忽必烈立刻想到這正是他所要選擇的人!馬上就任命他擔任益都、淄萊等路行軍萬戶。
攻宋戰役的總指揮是丞相伯顏。張弘範向伯顏建議：用重兵圍困襄陽，首先應切斷襄陽的糧道。伯顏採納了這項建議，並且就派張弘範負責萬山糧道的把守。在一次遭遇戰中，他以少勝多，竟取得了一次意外的大勝仗，伯顏對張弘範的才能具有了進一步的認識。
至元八年(1271年)，伯顏聽從了張弘範的計謀，決定把對襄陽的包圍圈逐步縮小。張弘範於是在襄陽、樊城之間，建築了一個堅強的阻隔性工事——“一字城”。“一字城”把原來是一個整體的襄樊軍事防區，切割成兩份。這樣，包圍圈進一步逼近樊城。第二年攻打樊城時，張弘範肘部中了流矢。他把傷口裹紮了一下，馬上就到大本營晉見主帥，提出以水師截江道，斷絕樊城的救援。
同時在攻取的策略上，建議用水陸夾攻的辦法，先攻破樊城，只要樊城攻下，襄陽也就無險可守了。他的這些主張，取得主帥同意後，立即組織新的進攻，他身先士卒，輪番猛撲，很快就拿下了樊城。宋方樊城守將範天順戰死，牛富率兵百餘巷戰，兵敗後投火自盡，這是一場極艱苦的戰役。
樊城這個堅壘一突破，襄陽的守將呂文煥也就只好舉白旗投降了。從至元四年(1267年)至至元九年(1272年)堅持六年的襄樊戰役，勝利結束。這是宋元之間的一場關鍵性的戰役，元軍攻克襄陽後，南宋門戶洞開，崩潰已成定局。張弘範以襄樊戰役的功勳，帶着降將呂文煥去見忽必烈，受到了“賜錦衣、白金、寶鞍”等獎勵的榮譽。他的部下也都受到了獎賞。
至元十一年(1274年)，忽必烈就又命令伯顏開始征伐南宋的新攻勢。伯顏分兵二路，一道進攻淮西和淮東，直指揚州;一道由他率領，命降將呂文煥爲前鋒，這路元軍的主力就是阿里海牙，張弘範隸屬阿里海牙軍團之下。他們由襄陽順漢水而下，東賂、郢西(今湖北鍾祥一帶)，南攻武磯堡，準備直撲臨安(今杭州)。
至元十二年(1275年)，南宋丞相賈似道爲了挽救頹勢，不得不親自出馬，督師駐蕪湖，又派遣宋京前往元軍大本營與伯顏議和。希望象景定元年開慶密約一樣，輸歲幣，稱臣。被伯顏拒絕了。這時賈似道只得命殿帥(即殿前都指揮使司的簡稱)孫虎臣率領步兵、七萬駐池州(今安徽貴池)丁家洲。舟師(水軍)統帥夏貴以戰艦二千五百艘橫亙江中，自率後軍駐魯港(今安徽蕪湖西南)。伯顏命張弘範所部步騎夾岸而進，利用陸上優勢，形成包圍，又用戰艦巨炮，轟擊孫虎臣軍。孫軍大潰，逃到魯港。夏貴聞敗訊後，也放棄了指揮，倉皇奔逃。在這次戰役中，南宋水陸兩軍主力喪失殆盡，張弘範所部長驅到達建康(今南京市)。
元軍進入建康後，丞相伯顏決定在建康休整一番。在諸將出席的勞軍大會上，取出庫存黃金分賜諸將。在諸將均已到齊之後，張弘範卻姍姍來遲。伯顏沉下臉來面帶慍色地說：“我們祖宗傳下來的習慣法規定：凡是軍事性的集會，遲到的有罪!雖然是近侍貴戚和以材能勇敢知名的人，都不允許寬赦，你難道連這規矩也不懂，竟敢遲到!”與會的人都爲張弘範的過失，捏一把冷汗。
張弘範卻毫不驚慌失態，很從容地說：“我認爲軍事集會是指戰場上的集會。在戰爭的場合上，我從來沒有遲到過。今天的聚會是領受犒賞，在犒賞之前我不敢爭先，在道理上有什麼不可以的呢?”丞相伯顏被他所講的道理折服了，冷若冰霜的面孔又變得和顏悅色，連連點頭稱是。他辭鋒敏銳，片言釋疑，語言之妙，舉此一例可以想見。在這個小故事的後面，可以隱約地看到他和伯顏爭論的實質是蒙古習慣法和中原儒學禮教的交鋒，用中原文化傳統來影響蒙古貴族，正是張弘範父子們有意識或無意識的一項經常性工作。
元軍攻佔建康後，南宋的京城臨安，危在旦夕，宋廷不得不發出勤王的號召。但宋朝軍民響應勤王號召的只有張世傑和文天祥等少數人。張弘範則從軍事形勢考慮，認爲應當乘破竹之勢，掌握戰機，不可再稍緩。他和伯顏商討後，伯顏同意他的意見，命令他用當時最快速的交通手段——蒙古驛站的快馬，奔馳到忽必烈的駐地，面陳形勢。忽必烈決定繼續追擊。張弘範返回防地後，激戰就開始了。
同年七月，張弘範與張世傑、孫虎臣等所率水軍的戰鬥，焦山之戰，是場決定性的戰役。當時統帥阿術集合行省諸翼萬戶兵船於瓜州，阿塔海、董文炳集合行樞密院萬戶兵船於西津渡，南宋沿江制置使趙清、樞密都承旨張世傑、知泰州孫虎臣等陳列舟師於焦山南北。阿術派遣張弘範等以兵船千艘西掠珠金沙。
阿術、阿塔海登南岸石公山，指揮水軍萬戶劉琛循江南岸，繞出南宋防軍之後，董文炳則直抵焦山南麓，和元軍劉國傑左右呼應，萬戶忽刺出擊中路，張弘範自上流來會師於焦山之北。這場會戰，南宋全線潰敗於焦山。張弘範率軍直追至圃山(今江蘇鎮江市東北)之東。這是臨安陷落之前元軍伐宋的最後一次大戰役。由於這次戰役的功勞，忽必烈賜他以“拔都”(蒙語意爲勇士)的榮譽稱號，並改授他毫州萬戶。
至元十二年(1275年)十月，張弘範班師還朝，朝廷上安排了不少慶功活動。忽必烈在內殿宴請張弘範，爲他洗塵，慰勞他的凱旋，是這一系列慶祝活動的頂峯。但是由於他不適應南方的氣候和水土等環境，再加上又得了瘧疾，返回大都後不久就病倒了。
忽必烈十分關心張弘範，特命御醫前往護視，並規定每天要把張弘範的病情作專門的彙報，並讓近侍傳出口諭給御醫說：“我有軍國大事，等着同九拔都商量決，一定要盡心治療，使他迅速恢復健康。”又命令衛士坐在張弘範的門口，對來探視的人們說：“九拔都病得很重，除非至親和醫護人員外，皇帝有詔令，停止一切對病人不必要的干擾。”
至元十三年(1276年)正月，宋廷派遣宗室趙尹甫、趙吉甫攜傳國玉璽及降表赴元軍大本營乞和。降表中以伯、侄相稱。伯顏看了降表後，派遣張弘範、孟祺(元行省諮議)、程鵬飛等人，帶着伯顏的命令，先入臨安城，責備宋大臣背約失信之罪。張弘範等終於說服了宋廷，取得宋王改稱臣僕，屈辱請降的表文。
三月，伯顏入臨安，宋幼主趙顯(恭帝)及全太后等均被押送至大都。皇帝、皇太后雖然投降了，但人民並不都甘心作元朝的臣民，浙東一帶發生了叛亂。按蒙古人的慣例，降而復叛，又殺了使臣，又焚燒了招降書，是要屠城的。張弘範的良心不允許他執行蒙古人屠城的習慣法，只殺了幾個爲首的人，就了結了此案，總算保全了一城人的性命。
至元十四年(1277年)，元軍凱旋，張弘範也加官進爵，被授予鎮國上將軍的軍階，任命爲江東道宣慰使。這時張弘範四十一歲，已經是武職官員中從二品大員了。
至元十五年(1278年)四月，文天祥、張世傑等擁立的小皇帝趙昰，被迫逃到廣州，病死於硐州島上(今廣東雷州灣上一島)。爲了堅持鬥爭，他們又擁立廣王趙昺於廣東新會海中崖山。改元祥興。元廷命張弘範爲蒙古漢軍元帥，前去攻擊流亡朝廷。
至元十六年(1279年)正月，元組織了水軍，大舉進攻崖山。文天祥以戰俘的身份也被軟禁在元軍船上，途中文天祥作《過零丁洋》一詩。恰巧張弘範來要文天祥他給張世傑寫一封勸降信，他就順手寫出上邊這首詩，交給張弘範算是答覆。張弘範讀罷，除對他的遭遇同情外，心中肅然起敬。張弘範與文天祥在政治上雖然是對立的，但他對文天祥的人格則是崇敬和欽佩的。當部下勸告他：“敵國的丞相，居心叵測，不可親近。”時，張弘範笑着說：“他是個忠義至性的男兒，決不會有其他。”
二月，張弘範統率的元朝水軍抵達崖山後，曾派張世傑的外甥韓某，三次去張世傑軍中勸降，張世傑嚴辭拒絕了誘降。張弘範做了四面包圍的嚴密部署，發動了總攻。他目的在消滅宋軍的有生力量，要一舉殲滅，不使其再散逸。二月初六日晨，用炮石、火箭作掩護，插入宋艦隊主力所在。元軍跳上宋船後，短兵相戰，發揮北軍之所長，宋方潰不成軍。張世傑衝出重圍，準備招集舊部;找尋趙宗室後裔再圖恢復。元軍李恆的艦隊追至大洋，沒有追趕上。不幸遇大風浪，船翻之後全船的人都淹死在平章山下。
