元太宗二年（1230年）秋，窝阔台、拖雷率主力攻山西，破代州（今山西代县）、石州（今山西离石）。十月，围攻卫州武仙军。此时，史天泽率领诸军合围于卫。金朝大将完颜合达率众十万援救武仙，双方展开激战，蒙古军败退。只有史天泽所部千人绕出敌后，击败金朝一支偏师。既而又与蒙古军再次合攻，武仙逃走，卫州再被攻克。
元太宗三年（1231年），窝阔台在官同召集会议，决定兵分三路伐金：中路攻河中府（今山西永济蒲州镇），入治阳；左军进兵济南；右军自凤翔经宝鸡，假道南宋，袭击汴京（今河南开封）腹背。三军预定次年春于汴京合围。十月，窝阔台亲率中路军猛攻河中，至十二月破城。此时，史天泽受命在东线削弱金朝的防守力量。
元太宗四年（1232年）春，窝阔台自白坡渡河，令史天泽军处自孟津进河南与拖雷军会合。史天泽率军抵达时，拖雷军已于钧州（今河南禹县）三峰山大败完额合达军，金军主力全部溃灭。史天泽军乘胜取京东，连续招降了太康（今河南太康）、拓县（今河南林县北）、瓦冈（今河南滑县南）、眼州（今河南雅县）等地，并在阳邑（今河南登封东南）斩杀金将完颜庆山奴。
元太宗五年（1233年）春，金哀宗完颜守绪从汴京突围，先渡河而北至黄龙岗，命大将完颜白撒西袭新卫、卫州。史天泽闻讯后，即率轻骑解围。但金军已完成对新卫城的合围，史天泽奋戈突至城下，向守军大呼：“你等勉力奋战，援兵很快会到。”随即又杀出重围。次日，蒙古大军至，完颜白撒等败走蒲城，史天泽军紧迫不舍。完颜白撒领兵尚有八万，被蒙汉军斩杀殆尽。
元太宗六年（1234年）正月，蔡州城破，金哀宗自杀，金朝灭亡。史天泽率军返回真定。
元太宗七年（1235年），皇子阔端率军攻入南宋陕西、四川，皇子曲出和诸王忽都秃、口温不花等率军南攻襄汉。史天泽随曲出南征，进至枣阳（今湖北枣阳），遇到顽强抵抗。史天泽率先强攻登城，终于攻克枣阳。进攻襄阳（今湖北襄樊）时，宋军于峭石滩陈船数千，猗角以掣古军之肘。史天泽亲率两舟，满载死士，勇往直前，径冲宋阵，宋军为之气夺，落水者以万计。
元太宗九年（1237年），史天泽随宗王口温不花围光州（今河南潢川），史天泽亲率军先破外城，又破子城。复州（今湖北西阳西南）之战，宋军舟船三千锁湖面为栅，史天泽亲执样鼓督勇士四十人猛攻，宋军栅破，复州守军畏惧请降。寿春（今安徽寿县）之役，史天泽军独当一面。宋军乘夜劫营，史天泽单骑迎战，手刃数人，将士们相继赶来助战，宋军被尽数驱入准水溺死。史天泽乘胜连下滁州（今安徽滁县）、盱眙（今属江苏盱眙）和宝应（今属江苏）等淮东州县。
