阿里不哥派阿鲁忽回归察合台汗国主持国事，要阿鲁忽为他收集货币、给养和装备，并阻挠以西的旭烈元、别儿哥声援忽必烈。但另一方面，他遣使向忽必烈表示，等到秋高马肥时，就去觐见，借以延缓忽必烈的进击，并伺机而动。
1261年秋，阿里不哥乘也先哥不加防范，攻占和林，而后向漠南进军。忽必烈得报，又听说阿里不哥杀了阿卜失合兄弟，大怒，随即率军亲征。十一月，双方在昔木土脑儿(在今蒙古苏赫巴托省南部)遭遇，阿里不哥大败，逃回谦谦州，他的许多部下向忽必烈投降。
阿里不哥处于困境，不断派使臣向阿鲁忽征求财物，甚至牛十头要抽征两头。阿鲁忽不堪其扰，又见到阿里不哥气势不振，便拒命杀死了使臣。阿里不哥发兵讨伐阿鲁忽，进至伊犁河流域。但阿鲁忽在撒麻耳干、不花刺一带重整旗鼓后，又把阿里不哥打了回去。1262年间，阿鲁忽宣布倒向忽必烈。这时，忽必烈已取得旭烈兀、别儿哥的支持。而在阿里不哥阵营里，玉龙答失(蒙哥之子)也已经转到忽必烈方面。因此，阿里不哥处于十分孤立的地位了。
1264年七月，走投无路的阿里不哥只好率领身边的诸王和大臣到上都(即开平)表示归顺。忽必烈问他：“你说说看，按道理讲，我们兄弟两人，谁应当继承大位?”阿里不哥回答说：“原来我是对的，现在你大汗是对的。”阿里不哥只承认失败，但不承认忽必烈据有道理。忽必烈下诏：阿里不哥、阿速带、昔里给等诸王是成吉思汗的后裔，不予问罪;不鲁花等谋臣，全部伏诛。
忽必烈与阿里不哥继位之争，是蒙古汗系宗亲之间争夺最高统治权的斗争。这是蒙古统治阶级内部的斗争。在这场斗争中，忽必烈在很大程度上是由于博得了中原汉族地主阶级的支持，掌握了中原的人力、物力和财力，而赢得了胜利。忽必烈的胜利也是蒙古贵族中主张采用汉法治理汉地一派人的胜利，这就很有利于元朝的建立和巩固。
但是，终元之世。北边诸王守旧势力的叛乱活动没有停止过，有时仍然对元廷构成严重的威胁。1269年，窝阔台之孙海都据塔拉斯河谷叛，以他为首的西北诸王的反抗元廷的军事斗争一直延续到1310年。长期盘踞在东起阿尔泰山西迄中亚锡尔河一带的西北守旧族势力使元廷不得不在天山南北路与和林等地派驻重兵，消耗了大量兵力和物力。1287年别里古台的曾孙乃颜据漠北东部封地发动叛乱，他本人虽随即被执，但他的势力一度与西北叛王相呼应，形成威胁元廷的很大声势。
