就在南宋恢复宋金战事之后的创伤时，北方的国际形势发生了大变化。绍定五年（1232年）的三峰山之战后，金军大部主力被蒙古军击溃，名将完颜彝等阵亡。金国恒山公武仙逃生之后，又跑到了南阳（今属河南）的大山里面收拢溃兵，竟然数月之间就得众十余万，声势大振。
而金国新任君主金哀宗，认为汴京残破不堪，于绍定六年（1233年）把金廷先搬到归德府（即北宋南京应天府，今河南商丘），又迁到蔡州（今河南汝南）。他为做坚守之计，便下诏命武仙勤王。武仙则以蔡州难守，就想出了一个非常大胆的计划，有些类似耶律大石入中亚建立西辽：夺取南宋的四川作为落脚之处；如果夺取不了，就改夺进军路上的宋军粮饷。
这一年，武仙派手下武天锡进攻光化，打开入蜀的通道，号称聚众二十余万。孟珙率军迎击，逼近敌垒。一鼓攻破其营寨，壮士张子良阵斩武天锡，拿下他的首级。孟珙初战告捷，斩首五千级，俘四百余人、户十二万。授江陵府副都统制，赐金带。虽然旗开得胜，但武仙的主力仍然在光化境内，是个大麻烦。京湖制置司问孟珙下一步行动，此时京湖制置使是当朝权相史弥远的侄子史嵩之。孟珙早就胸有成竹，他告诉史嵩之：武仙会进军吕堰（今襄阳东北），我们只要八千人就足够退敌。
果然，宋军刘全部、雷去危部在夏家桥挫败金军后，武仙转而进军吕堰。孟珙得知武仙中计后大喜。当武仙行军到吕堰的时候，遭到了木查、腾云、吕堰三砦宋军的三面围攻，孟珙部这时也迅速南撤以接应守军。这时武仙才发现地形不利，进有大河阻挡，退有山险拦截，只好撤军。结果被斩首五千级，俘民夫三万余。孟珙接着向北迫近邓州。邓州守将伊喇瑗害怕重蹈武天锡的覆辙，奉表请降。孟珙入城后，显示出大将风范，伊喇瑗伏阶下请死，但孟珙为他换衣冠，以宾礼对待他。
七月，武仙手下的爱将刘仪投降孟珙，提供了武仙驻军的情报。针对武仙九砦屯守于马蹬山，他建议步步为营前进，先夺取离金砦，再孤立其他二砦。孟珙采纳建议，第二天，派遣部将进攻离金砦。宋军假扮成金军混进了敌营，然后到处放火制造混乱，很快占领离金砦。当天夜里，宋军又突袭了王子山砦。守砦金将是位小元帅，正在醉酒酣睡，梦中直接丧命，把王子山砦拱手送出。
孟珙闻报，率军直击马蹬山。他命部将正面攻击，却故意在西边留出一条路，设下伏兵。历史记载这场战斗火光漫天，死尸遍野。金军溃退到西边，又遭到伏击，损失惨重，最后一万两千多人投降。之后孟珙回军进攻已经孤立了的沙窝等砦。一日三捷，部将又攻破默候里砦。至此，马蹬山的九砦还剩两个。刘仪再奉孟珙之命，招降了剩下的板桥砦的两支守军。武仙认为岵山地势险峻，居高临下应该还有一线生机。于是他带着人马开始爬山。孟珙早就料到武仙要移军岵山，命人事先埋伏在山脚。武仙军爬到一半，突然伏兵四起，金军被打的晕头转向、血流满山。辎重丢在半山腰，大将兀沙惹被杀。
这下孟珙彻底把武仙的希望打没了。不过武仙十分倔强，不仅拒绝劝降，还打算退往商州继续抵抗。孟珙也不含糊，在一天早晨向石穴砦发动总攻。由于下过雨，山中还没放晴，部将非常担心。孟珙大笑说：“这不就是当年李愬雪夜擒吴元济的大好时机吗？”他亲自策马指挥，宋军激战数个时辰后大破敌军。武仙只好狼狈的换上士兵的衣服，带五六个人逃走，剩下的七万多金军纷纷投降。武仙本人后来在逃窜的过程中被蒙古守军擒杀，金国打开入蜀通道的计划彻底破产。班师襄阳后，孟珙转修武郎、鄂州江陵府副都统制。
武仙军的覆灭，也使围攻蔡州的蒙古军少了一个大负担。但是，金国仅存的战斗力依然旺盛。绍定六年（1233年）九月，蒙古军都元帅塔察儿被金军击败于城下，士气低落。塔察儿就一面远远地修筑堡垒以防金军突围，一面派出使者王檝向宋廷发出联合灭金的邀请，同时还希望宋军能支援一些粮食。
早在成吉思汗时，蒙古就希望和南宋结盟，共同攻打金国。但宋朝人都记得“海上之盟”的教训，双方虽有使者来往，却并没有形成实质上的盟约，更谈不上出兵。不过形势逼人，金国被灭已经是迟早之事。十月，宋廷在权臣史弥远的决策下，决定联蒙灭金，命令京湖制置司出兵。于是派江海、江万载叔侄带孟珙领兵2万、运粮30万石踏上了灭金的征程。
金国集结了两万骑兵前来阻击，意图阻止宋蒙联军的形成。孟珙鼓噪前进，一举击溃前来阻击的金军，追杀到高黄坡，斩首一千二百级。十一月初五，宋军进驻蔡州城南，孟珙入蒙古军营与塔察儿相会。蒙古人是崇拜武力的民族，因而塔察儿对孟珙消灭武仙大加赞扬，拉着他一起打猎、喝酒，最后两人干脆结拜为兄弟。
双方开始合作。一天，金军忽开东门出战.想杀出重围。孟珙断其归路，擒拿偏裨将校80余名，其余多淹死在汝河里。孟珙断定蔡州城内已经断粮，诫嘱宋军：“当尽死守住阵地，严防金军突围。”他还与塔察儿画地为守，以防交战时宋蒙两军误伤。
十二月初六，宋军经过殊死战斗，进逼蔡州城南边外围立栅。初七，孟珙命诸将夺取制高点柴潭楼，经过反复争夺，宋军攻拔该楼，俘敌五百余人。蔡州倚仗柴潭水为固，城上楼架设有巨型弩炮，宋军将士不敢近前。孟珙身先士卒开挖柴潭堤，放潭水入汝河，用薪柴填平潭池，宋军顺利过潭攻城。与此同时，蒙古军也决开蔡州城西的练江，逼近城下。
柴潭和练江是蔡州城墙外的天然屏障，守城金军为夺回天险，驱赶城中老弱孩童人，大锅熬成热油，以此为“武器”，往城下浇烫宋蒙士兵。孟珙以人道主义出发，派出道士劝阻了这种行为。入夜，金将义率500死士出南门拼命，宋军进攻受阻。听说友军有难，塔察儿令汉军万户张柔率敢死队20余人逾沟突城，被城中金军用钩连枪抓去2人。张柔也被钩住。孟珙见状，立即率前锋冲出，飞剑斩断钩子，救得张柔一命。
端平元年（1234年），金国已经撑到了极限。正月初五，史载“黑气压城上，日无光”。初九，宋蒙联军发起攻城，遭到顽强抵抗。蒙古军在西城的外城凿了五个大洞，军队蜂拥进入内外城墙之间的开阔地，直到晚上竟没有进展，只好撤出城外。在南门的宋军战斗多时，也没能登城。初九夜，金哀宗见大势已去，召集百官，表示要禅位于城东门守将、元帅完颜承麟。
正月初十清晨，与禅位在城内举行的同时，城外的宋军统帅江海向宋军下达了总攻令。部将马义架云梯率先登城，万余人踊跃而上，南门楼上竖起了大宋旗帜，宋军率先杀入了蔡州城。登城的宋军杀到西门，打开门后放入蒙古军队。城里展开了激励的巷战，这是宋、蒙古、金唯一一次三国大交锋，熊熊大火燃烧着宫殿和街道，三方都在为各自民族的使命而战。
随即金哀宗自缢而死，大将完颜仲德率领众军投河自尽。而接受了禅位的完颜承麟在最后时刻举行典礼，给金哀宗上谥号，接着就被涌入的宋蒙联军杀死。城中的战火熄灭后，金国的降臣带着孟珙找到了金哀宗的尸体，尸体已经焦黑无法辨认。孟珙把尸体一分为二，一半归宋，一半归蒙古。并分了金国皇帝的仪仗器械和玉玺等宝物。金国彻底灭亡。
孟珙立下不世之功，一雪靖康耻、臣子恨，完成了岳飞等前辈的夙愿，给百年来受尽战争苦难的百姓英烈复了仇。回到襄阳，擢为武功郎、权侍卫马军行司职事、建康府都统制。孟珙虽然武功郎官品较低，但是职事官的侍卫马军行司属于中央禁军三衙之一，体现了宋廷对他功劳的认可。