在判断出了李璮的意图后，忽必烈立即开始调兵遣将，此时从山东、河北一带被召集来跟随他北征的汉人军侯们大多还未回返，中原一带兵力空虚，因此忽必烈只好传诏各地“尽发管内民为兵以备”；同时他还命令济南万户张宏、归德万户邸浃、武卫军炮手元帅薛军胜等部主力集结于滨州（今山东滨县）、棣州（今山东惠民），阻断李璮与在平滦担任总管的其子李南山（王文统女儿所生）的联系；同时还下令水军万户解成、张荣实，大名万户王文广，东平万户严忠范等部集结于东平，意图将李璮封锁在山东东路。
二月二十日，忽必烈又命合宗王合必赤总督诸军，抽调河北诸州县守军随同行动，赵壁与不只儿行省山东，配合主力大军的行动。
可令忽必烈没想到的是，李璮的行军速度比他传讯的速度还要快，就在他的命令刚刚发出不久后，李璮便率军攻入了济南城。
驻守济南的张宏手中只有不到一千的人马，面对着李璮的数万大军根本无法抗衡，于是便弃城逃跑，不得不说，这哥们是个孝顺孩子，逃跑之前还把他爷爷济南公张荣也带上了。
张宏跑到半路，正好和前来平叛的先锋部队会合，在他的带领下，蒙古先锋阿术（兀良合台之子）与史枢二人于老鸧口击败李璮军，李璮率军退守济南城。
此时南宋朝廷也不知道抽了什么邪风，或许是觉得不趁火打劫一下不太合适，竟然主动派军进攻蒙古，用来响应李璮的行动。
其中京东招抚使夏贵的进展最大，接连占据了毫、滕、徐、宿、邳等州，而另有一路宋军乘坐海船绕过山东半岛，在滨州登陆，一路北上竟攻至沧州。
可就在形势对李璮一片大好之时，这位大哥竟然又干了一件令所有人都迷惑不已的事，他竟然率领自己的数万主力龟缩在济南城中不出，面对着宋军的配合不闻不问。
忽必烈正愁兵力不够用，见李璮如此‘善解人意’，心里十分高兴，于是下令围攻济南的战略不变，其余兵马全力围堵北进的宋军，宋军毕竟是异地作战，无以为继，在蒙古军与汉军的合力堵击之下，被迫南撤，无法继续支援李璮。
公元1262年四月，蒙军十七路兵马汇聚于济南城外，开始竖栅凿堑，而后又筑环城六十里，将李璮所部五六万人团团围困于济南城内，同时忽必烈命右丞相史天泽亲往前线，与合必赤共同节制诸军。
李璮起兵本就仓促，济南城又是新攻下之地，城中粮秣军械根本无法供给数万大军之用，仅过了月余，城中便陷入了粮荒。此刻的李璮心里悔恨的要死，早知道造反这么难干，他就不造反了。
可世界上没有后悔药，想要获得多大的荣耀，就要承担多大的风险这个道理，李璮这辈子也明白不了。
城外的史天泽久经战阵，经验丰富，每日只是观察城上守军的状态便大概知道城中的情况，便也不着急攻城，只是将城围的如铁桶一般，不放一人一马出城。
如此僵持近四个月后，城中粮草早已耗尽，守城的士卒甚至以死去的战友尸身蘸盐为食，全军彻底解体。
李璮也自知大势已去，无力回天，于是下令众人各自逃命，他则手刃了自己的爱妾，乘舟入大明湖投湖自尽，却因水浅未死，被攻入城中的蒙古军生擒。史天泽进城后，士兵们将李璮押至其面前，合必赤欲将其送往京城交由忽必烈处置，但史天泽以“宜即诛之，以安人心”为由，将其就地处死。
李璮之乱就此平定。
李璮虽死，但他这次叛乱给蒙古帝国中的汉人世侯们却带来了极为恶劣的影响，在叛乱发生后，身为平章政事的王文统首先被牵连，作为李璮的岳父，他在二月二十三日便被忽必烈下令诛杀，与他一同被杀的，还有他的儿子王荛，罪名是“私通反贼”。
其实后世很多史学家为王文统喊冤，说他根本没有私通李璮，因为在李璮起兵之时是二月初三，而王文统却没有做出任何布置，根本没有与其里应外合的意思。
其实不论王文统到底有没有与李璮私下联系，他死的都不冤，因为据史料记载，忽必烈曾搜到王文统与李璮的书信，里面有一句叫“期甲子语”，忽必烈问他这句话是什么意思，王文统回答道：“李璮久有反心，我建议他甲子年（1264年）再举事，是为了延缓他的反期，给陛下留出处置的时间”。
这句话其实有很浓的狡辩之意，你既然知道李璮要造反，为什么不直接报告给忽必烈，而是叫他延缓两年再造反？
按照这个记载来算，即便王文统与李璮未曾私通，也可以治他一个知情不报之罪，所以为他叫屈，大可不必。
但此时又有一个难题摆在了忽必烈的面前，那就是此案牵连的人实在是太多了，若是都依律处置，恐怕明天的朝堂之上，就不剩几个人了。
这些人中，大部分都是汉军世侯，其中那个被孙子带着逃跑的济南公张荣，他的亲儿子——邳州路行军万户张邦直甚至直接起兵支援过李璮，其他如张柔第八子张弘略，大名彰德路宣抚使游显等人也都曾与李璮互通书信。
甚至连未经审判便以安人心为由将李璮处死的史天泽，都曾与其有着不清不楚的关系，此举亦有杀人灭口的嫌疑。
面对着这样的情况，忽必烈即便心有不甘，也只能强迫自己展现出宽广的胸怀，发布了一道赦文：“所有知情胁从诖误者尽皆原免”。
不过忽必烈也不是吃亏的主，这次李璮的反叛正好也让他有了对这些汉军世侯们下手的借口。
他早就对这些盘踞在山东、河北地区的汉人豪强心生不满，因为他们上马管军，下马管民，官职爵位世代相传，俨然一副国中之国的样子。
更何况，忽必烈即便再信任汉人，他也很清楚地知道，自己是个蒙古人，非我族类，其心必异这句话适用于任何一个民族，此次事件就是将他们手中权力收回的最佳机会。
在此想法之下，忽必烈因势利导，最终制定了七条措施：
一、废除诸侯世袭制度，实行调官法，彻底从根本上杜绝了地方军阀世守一方的局面。
二、地方实行军民分治，以益都为试点地区，自己的汉人亲信董文柄收拢了李璮的军队，撒吉思（回回人）负责治民，并将这一制度在全国范围内进行推广。
三、削去各诸侯私家兼揽的权力，规定：“诸路管民总管子弟，有分管州、府、司、县及鹰坊、人匠诸色事务者，罢之”。
四、强令诸路世侯及官员子弟入京充质。
五、仍然掌握军权的汉人万户，强制他们互换或者调派，如董文柄代替史格（史天泽之子）为邓州光化行军万户，史格代替张弘范为亳州万户，张弘范则统帅史格原先率领的邓州旧军等等。
六、成立万户府监战，从忽必烈的蒙古宿卫军中选调人马用来监督汉军。
七、所有地方长官中，须任命蒙古人为达鲁花赤，汉人担任总管，回回人充任同知，永为定制，让他们之间互相牵制。
经过这一番整顿，朝中的权力再次集中到了忽必烈的手中，世侯分立的态势被彻底改变。
就在忽必烈平定李璮之乱的同时，阿里不哥所率的大军也已经进入了察合台汗国的境内。
在他离开之时，他便知道自己走后和林肯定守不住，于是在临走之时便指示城中留守的诸臣，允许他们开城投降。
不得不说，阿里不哥算是个好领导，虽然此举也有收拢人心的意思，但终归还是少造了许多杀孽。
公元1262年秋，阿里不哥的前锋大将哈剌不花率军抵达不剌城（今新疆博尔塔拉蒙古自治州境内），与阿鲁忽所率的察合台汗国主力展开了正面交锋，谁知却大败亏输，哈剌不花被杀，前锋军损失殆尽。
此役之胜使得阿鲁忽信心倍增，认为阿里不哥不过如此，遂放松了警惕，在返回位于伊犁河边的斡尔朵时，便将征召而来的军队全部遣散，结果却被随后赶来的阿苏台部抓住了机会，迅速朝着阿力麻里（今伊犁）直扑过来，阿鲁忽不备之下被打到崩溃，仓促逃离了这里，经由和阗（今和田）至可失哈尔（今喀什），然后又逃到了撒马尔罕。
在成功击败了阿鲁忽后，阿里不哥顺利地进入了察合台汗国的首都阿力麻里，为了发泄对于阿鲁忽背叛自己的不满，他在入城后大搞恐怖主义，肆意屠杀原属阿鲁忽麾下的蒙古军将，并且在城中横征暴敛。
这一举动让他彻底失去了民心，一直追随阿里不哥的大将玉木忽儿借口治病，悄悄离开了他，其余诸臣也十分不满，认为他“如此残酷地糟蹋成吉思汗征集起来的蒙古军队，我们怎能不感到愤怒而离开他呢？”于是便纷纷离开了他。
蒙哥的三儿子玉龙答失认为自己一直追随阿里不哥和忽必烈作对，如果转投忽必烈就必须得有拿得出手的东西来引荐，遂去阿里不哥处将蒙哥的玉玺要了回来，而后伙同阿里不哥手下的一名千夫长一起投奔了忽必烈。
与此同时，逃到了撒马尔罕的阿鲁忽也得知了阿里不哥众叛亲离的消息，于是重新整军来攻，阿里不哥自知不敌，便派人将扣押的兀鲁忽乃妃与麻速忽别（牙老瓦赤之子，此时担任察合台汗国平章政事）送还给他，希望能与他达成和解。
但阿鲁忽却不依不挠，非要与阿里不哥决一死战，以报被追杀之仇。
阿里不哥无奈，只好闭门不出，但固守亦非长久之计，思来想去，他认为与其受到阿鲁忽的羞辱，还不如去投降自己的哥哥，于是便在1264年七月率军投降了忽必烈。
在阿里不哥投降后，按照蒙古风俗，他在肩膀上披上了大帐的门帘，而后进帐面见忽必烈，忽必烈看着他问道：“我亲爱的兄弟，在这场纷争中是谁对了呢？是我们还是你们？”
按照正常人的思维来说，既然都已经认怂了，你直接就说自己错了就得了呗，可阿里不哥这位大哥偏不，他想了半天回答道：“当时是我们，现在是你们！”
真是开水煮死鸭子，肉烂嘴不烂，阿里不哥，你死的不冤！
因为忽必烈于开平即位确实不合乎蒙古帝国的旧礼，所以忽必烈也不好将这件事过度牵连，便匆匆地审理了一下追随阿里不哥的主要亲信，将其中最铁杆的十人以“构乱我家”的罪名处死。
至于阿里不哥与阿速台、玉龙答失等宗亲贵胄则以其“皆太祖之裔，并释不问”的理由无罪释放。
但蹊跷的是，仅仅一年之后，一直身强力壮的阿里不哥突然暴毙于自己的府邸，年仅47岁。
至此，兄弟二人长达五年的内战彻底结束，忽必烈成为了蒙古帝国唯一的可汗。
1264年八月，忽必烈取《易经》‘至哉乾元’之意，将年号由中统五年改为至元元年，由此开启了他对华夏大地31年的统治。