随军西征

1233年，随贵由东征大真国，破蒲鲜万奴于辽东（今吉林延吉东城子山）。1235年随诸王拔都征钦察、兀鲁思、阿速、孛烈儿诸部，分兵后随拜答尔深入孛烈儿（波兰）﹑捏迷思（德意志）等部，攻陷波兰首都克拉科夫。后又在里格尼茨战役中大败波德联军。1248年，贵由汗去世，汗位空缺三年，兀良合台因是蒙哥身边一怯薛之长﹐故积极附和拔都的主张﹐推戴蒙哥即大汗位。

远征大理

1252年﹐奉蒙哥命辅佐忽必烈领军远征大理﹐绕道西南﹐企图从侧背攻宋。次年秋兵分三路，兀良合台率西路军经吐蕃，渡金沙江，入察罕章，趋大理，与忽必烈所率中路军会合，占领大理城。忽必烈北返后，兀良合台留镇云南﹐分兵取善阐（今云南昆明）等城﹐俘获大理国主段兴智。征战两年，平大理五城、八府、四郡及乌蛮、白蛮等三十七部。

1253年，蒙哥汗以其弟忽必烈总兵征服云南乌蛮（蒙古人称哈剌章，今彝族）、白蛮（蒙古人称察罕章，今白族）、鬼蛮（滇东北及黔西地区居住的乌蛮诸部，罗氏鬼国地方，蒙古人称赤秃哥儿）诸国，以兀良合台总督军事。1253年，蒙古军入云南境降附摩（今摩梭人）、么些（今纳西族）二部，遂至金沙江。兀良合台分兵攻取白蛮诸城寨，率师取龙首关，与忽必烈会合共同攻下大理城。次年，忽必烈率军北还，留下兀良合台继续征服大理国境内未附诸部。兀良合台东进，占押赤（今昆明市），俘潜逃至此的大理国王段兴智。其子阿术征赤秃哥儿、罗罗斯（四川凉山地区）等地。侵入云南的蒙古军在兀良合台指挥下，经过二年战争，平大理五城、八府、四郡，乌蛮、白蛮等三十七部。1256年，奉蒙哥汗之命率领所部，出乌蒙（云南昭通），趋泸江，破秃剌蛮三城（四川境内），在马湖江（四川境内）大败宋将张都统三万兵，夺其船二百艘，斩获不可胜计，之后又率军与史俊战斗。1257年，蒙哥汗依兀良合台建议，在云南设置郡县。授他银印，加大元帅，还镇大理。十月，进攻交趾（越南），"军令严肃，秋毫无犯"，攻陷其国都升龙（今越南河内），交趾国主降附，还军押赤城。

征伐南宋

1258年，蒙哥汗亲征宋，复命兀良合台率军北上，从云南包抄南宋。遂率万余军北上，兀良合台率蒙古骑兵三千和爨（啰啰）﹑僰（白人）军万人入广西，在老苍关大败六万宋军，连下贵州（今广西贵县）﹑象州﹐入静江府（今广西桂林）﹐破辰州（今湖南沅陵）﹑沅州（今湖南芷江）﹐于次年正月直抵潭州（长沙）城下。在宋境转战千余里，没有一次败绩，大小十三战，杀死宋军四十余万，擒获将领三人。闻忽必烈正围攻鄂州（今湖北武汉），遣使联络，遂与忽必烈所派援兵会合，渡江北上。1260年四月，忽必烈即位。兀良合台至上都，解兵权。

至元九年，卒，年七十二。追封河南王，谥武毅。