即位后，忽必烈随即派出一百名使者组成使团到达哈拉和林，向阿里不哥“告即位”。使团按照忽必烈的旨意，对阿里不哥宣谕：“我们这些宗王和异密（大臣）们商议以后，已经一致拥立忽必烈为合罕。”他们请求阿里不哥做出让步，对忽必烈称汗一事表示认可。

恼羞成怒的阿里不哥非但不承认忽必烈称汗的正统地位，而且把这个使团成员全部关押了起来。作为对忽必烈的公然挑衅和报复，丧心病狂的阿里不哥竟然把这一百名使者悉数处死。冲动是魔鬼，失去理智的阿里不哥竟然轻挑战端，正中了忽必烈的下怀。

四月末，阿里不哥为蒙哥主持了葬礼后，效仿乃兄，立即纠合漠北诸宗王，蒙哥之子阿速台、玉龙答失，察合台之孙阿鲁忽，木华黎五世孙乃蛮台，只必帖木儿弟也速，合丹之子忽鲁迷失、纳臣，斡儿答之子合剌察儿等，及汗廷旧臣，在哈拉和林城西驻夏地阿勒台召开忽里台会议，也被拥立为大汗。

其实，从当时族长别儿哥发行了刻有阿里不哥名字的钱币来看，是阿里不哥被公认为蒙古帝国第五任大汗的确凿证据。史料中所谓的“阿里不哥之乱”，实际上是“忽必烈之乱”。作为这一纷争的结果，趁局势混乱而建立的伊利汗国的旭烈兀，一直坚持忽必烈为蒙古帝国第五任大汗的立场。但是，正统性与否另当别论，汗位的归属和唯一性只有靠武力解决。

一山难容二虎，一国难容两汗。两汗之间的斗争剑拔弩张，蒙古帝国的政治版图被撕成两半。

在这场争霸赛中，忽必烈显然技高一筹，略施小计，逼阿里不哥先斩杀使团，使其陷入不义的泥沼。

在黄金家族的诸多成员眼中，阿里不哥不过是一个成事不足败事有余的稚口小儿，极端的杀人狂，蛮横的粗人，无理取闹者，怎么能有资格来继承至高无上的蒙古帝国的汗位呢？

尽管阿里不哥仿效忽必烈，遣多路使团到各个汗国不厌其烦地命令诸王承认他是符合蒙古帝国正统的大汗，并扬言：“旭烈兀、别儿哥和宗王们已同意并宣布我为合罕，不要听忽必烈、塔察儿、也松哥、也可合丹的话，也不要服从他们的命令。”旭烈兀和钦察汗别儿哥对这种愚蠢的行为，嗤之以鼻。

整个漫长的夏季，忽必烈与阿里不哥纷纷派出双方使者，络绎不绝，口干舌燥地争执究竟谁是蒙古帝国“正统”大汗的问题。尽管使者费尽九牛二虎之力，大汗的正统问题非但不明朗，反而画虎不成反类犬，越描越黑。

当时，忽必烈的主要兵力屯扎在中原，他之所以在开平举行忽里台，也与此有关，而阿里不哥的势力尽在漠北。双方都管窥蠡测，谁夺得关右（既函谷关以西，包括今天的陕甘宁一带），谁就能扼控着夺权战争的主动权。

于是这场蒙古帝国汗位争夺战一触即发，这绝非忽必烈和阿里不哥两个人的战争，而是各自代表着蒙古帝国的两个重要派别的权力之争。深受汉化的忽必烈希望在被征服的地区安定下来，再企图寻找一种更科学的管理方法和模式；而阿里不哥则是作为传统蒙古游牧方式及准则的捍卫者身份出现的，靠武力征服和大肆屠杀是他所崇信的唯一对决方式。

为了南下与其兄忽必烈争夺汗位，阿里不哥不甘雌服，“分遣腹心，易置诸将”，对汉地的军事、行政都重新做了部署，命刘太平、霍鲁海行省事于关右，收关中诸处钱谷，控制关陇，接应川蜀。将军政大权交给阿蓝答儿，从哈拉和林分遣两军，东路军由玉木忽儿、合剌察儿率领，向开平、燕京方向挺近；西路军由阿蓝答儿率领，穿越河西走廊，企图与驻兵于六盘山的浑都海会师，反扑京兆。

针对阿里不哥的军事部署，忽必烈也灵活地采取了相应措施。五月，忽必烈征调诸路兵力约七千于延安等处扼守要隘，又命汪良臣统领陕西汉军沿河守隘，防行省于关右的刘太平、霍鲁海等军，还征调诸道兵三万拱卫燕京，以作后备。同月三日，忽必烈的宿将廉希宪、商挺及赵良弼抵达京兆，十余日后，命万户刘黑马捕杀刘太平和霍鲁海，接着，又遣刘黑马、巩昌总帅汪惟正分赴四川诛杀乞台不花、明里火者。同时，命廉希宪、八春征集川蜀诸军，进军六盘山，以防浑都海东犯。又授予汪良臣金虎符，用于征集巩昌、秦州、平凉等二十四城诸军，稳定川陕形势。

八春、汪良臣二军奉命西去御敌，与浑都海对峙两月，胜负未分。

七月，等兵力部署就绪后，忽必烈率领蒙汉联军，向北驰进，前去讨伐阿里不哥。又命西线总指挥亲王合丹率一万人马及时赶到。亲王合丹是窝阔台的庶子，西道诸王的中坚人物，威望极高，对战胜叛军起到决定性作用。全军由亲王合丹统一指挥，兵分三路迎敌，合丹列阵于北，八春列阵于南，汪良臣列阵于中。

八月，阿蓝答儿与浑都海合兵，南军诸将首战失利。后来，合丹、合必赤与八春、汪良臣等联军再战于平凉，大获全胜，俘虏阿蓝答儿、浑海都。东路军移相哥也败于北军先锋玉木忽儿。

九月，经过春夏丰沛降雨的滋润，蒙古帝国东部的草原开始由微绿变成深绿，最后迎来了金色的秋天。穿上金色质地锦袍的牧场上成群的牛马都被逃避战乱的牧人撵到别处去了。草原显得空阔落寞，就像一片深沉的大海。远处时隐时现一抹淡淡的山影，才彰显出草原的浩渺和无际来。

一场恶战在西凉（今甘肃武威）地区拉开序幕，时值漠风劲吹，飞沙走石，天色灰暗，草原上空弥漫着冷兵器的金属气味和人马汗水混合的气息。空气瞬间凝固，战争一触即发。

汪良臣令骑兵下马步战，首先用短兵器破其左翼，绕至阵后，再溃其右翼。八春迎面对敌，合丹率领精锐骑兵断其后路。交战时突然刮起一阵风沙，使逆风列阵迎战的浑都海的人马都迷住了眼睛。合丹乘势冲杀，大获全胜，把玉木忽儿和合剌察儿打得如鸟兽散。此战以阿蓝答儿、浑都海被枭首而告终，关陇叛乱遂平。从此，川、秦、陇、漠南等地悉数被忽必烈收入囊中。

此外，阿里不哥率领的军队也一败如水，他打算阻挡玉木忽儿的逃遁，不仅没拦住，自己也被溃逃的败军裹挟着一直退到哈拉和林。尽管处境堪忧，他仍给身边的将士鼓气，说：“我手拥数万重兵，忽必烈要想拔除哈拉和林比登天还难。”

忽必烈并没有直接派兵攻打哈拉和林，只略施小计，便使阿里不哥陷入绝境。

哈拉和林的物资大多是通过车载马驮取自汉地，接着，忽必烈下令封锁漠南通向哈拉和林的交通，掐断了哈拉和林的物资供应路线。数日后，哈拉和林物价飞涨，粮荒日重，民心浮动，阿里不哥一度陷入困境。当忽必烈御驾亲征的消息后传至哈拉和林时，惊魂甫定的阿里不哥早已带着一支疲惫不堪而又饥饿的军队退回谦州。

躲在谦州的阿里不哥见关陇援绝，兵食皆匮，又怕忽必烈举兵前来追剿，为拖延时间，才遣使假意请和，用歉意和臣服的口吻对忽必烈说：“我这个弟弟因为无知，犯了罪，并且由于无知而僭越。你作为我的兄长，可以对我任意处罚，无论你吩咐我到什么地方，我绝不会违背汗兄的命令。等养壮了牲畜，就将唯你马首是瞻。”

忽必烈知道弟弟阿里不哥是个缺少主心骨的人，终究成不了气候，他之前疯狂夺位的举止，完全是受身边叛臣的蛊惑。摆摆手，很大度地对来使说：“浪子现在回头了，清醒过来、聪明起来、回心转意了，他承认自己的过错了。”

年底，忽必烈命移相哥率十万大军镇守哈拉和林，自己南返驻东于汪吉沐涟（今蒙古国翁金河）一带，后来回到开平。忽必烈在开平翘首以待阿里不哥前来归降的消息，等得脖子都麻木了，也不见阿里不哥归降的身影，却等来了一场恶战。

翌年，也就是1261年九月，阿里不哥经过夏秋两季养壮了战马，充实了他的军队战备后，他那颗骚动难安的野心又膨胀起来。联合几位不甘臣服的诸王（蒙哥的儿子阿速台等），又率领蒙古骑兵佯装向屯兵于哈拉和林的移相哥“投降”。

当移相哥放松警惕前去迎接时，却遭到阿里不哥的兜头痛击。忽必烈和阿里不哥各胜一个回合。现在阿里不哥不仅重新收复哈拉和林，而且乘势南进，兵锋直指开平，要和忽必烈进行决定最后胜负的第三回合。

听闻阿里不哥的行径，忽必烈怒发冲冠地嚷道：“这次，我非杀了这个不讲信义的小子不可。”

忽必烈暗自猜度，要彻底战胜阿里不哥，并非易事。阿里不哥麾下的皇宫怯薛军和西北诸王的骑兵，骁勇善战，长于冲刺。当然，自己的军队在人数上优于他，但是蒙古人对垒，常常以少胜多。

于是，忽必烈急忙调集优势兵力。一面命亲王合丹和驸马纳陈、帖里垓等率各军充任先锋，迎击阿里不哥；一面亲率张柔、邸浃、王文干、解诚、张荣实、张宏、塔察儿等蒙军，向草原边缘迎战。两军在昔木土脑儿（约在今内蒙古达来诺尔湖西南）遭遇，战况越发激烈。

待阿里不哥的大军汹涌而至，两军在相距几里处分别列阵对垒。阿里不哥的兵力尽管在数量上不占优势，但兵强将勇，羽翼渐丰。忽必烈不敢掉以轻心，吩咐各翼将领不要妄动，骑兵和步兵相互配合，步步为营，谨防阿里不哥的骑兵冲击。

这时，阿里不哥的军队突然分成几支，呈禽类翼状向忽必烈军队的两侧进行突击。或许看到忽必烈军队两翼多数是汉军，战斗力比较薄弱，想以此为突破口，以期达到瓦解整军的目的。

孰料这种在战场上惯用的战术，早被忽必烈猜测中了。见对方的骑兵掩杀过来，步兵立马将手中的盾牌左右上下紧密相连，铸成一堵坚固的铁墙，有效抵御了阿里不哥骑兵的冲杀。

一计不成，阿里不哥又生一计，把一群狂野不羁的野马驱赶到阵前充当一支攻坚力量，骑兵随后跟进，试图冲垮忽必烈军的铁墙。见阿里不哥变换战术，当野马群腾起滚滚尘土雷鸣般奔腾而来时，忽必烈急忙命董文炳率领千余名弓箭手，在盾牌的掩护下，冷不防地抛洒着箭雨，在疾驰着渐渐逼近的马蹄声和嗖嗖的弓箭声中，混杂着野马中箭的悲鸣和伤者的哀号。身中数箭的野马栽倒在地，后面奔驰的野马躲闪不及，也被绊倒在地。见攻势又受到有效的遏制，阿里不哥便鸣锣收兵。

不忍让阿里不哥白白跑掉，塔察儿想率领麾下的几万骑兵追击，忽必烈不肯，怕孤军深入，中了埋伏。

“像这样能打就打，败了就跑，这仗要打到几时？”

“他求胜心切，不会把眼下的小败当回事的，过几天还会来战。”

果然被忽必烈言中，十天后，待蒙哥之子阿速台率后继部队赶到，军威复振后，阿里不哥又驱使整军进行疯狂反扑。这次，他决定与忽必烈正面交锋，一决雌雄。这次战场还是设在昔木土脑儿草原上。等两军疾驰如风的先锋军进入彼此的射程内，双方张开硬弓，尽情地对射。顿时，飞蝗骤雨般的箭矢长矛，呼啸着在空中飞舞往来，杀声震天，血肉横飞，双方均有不等死伤。

经过短暂箭雨的“问候”后，便收起弓箭，持刀操盾，等势不可遏的两军接壤后，开始下一轮的肉搏战。两股浪潮般的队伍搅成一团。这场要比上次更加激烈和残酷，只见蒙古弯刀挟着冷风，闪耀着冷冷的光泽，相互猛切乱砍。前面的兵卒倒下一片，后面的兵卒鼓勇而上，接着持锐继续上前拼搏。

这场战斗，从清晨一直厮杀到夜幕低垂时分。漠风劲吹，漫卷的漠沙很快掩盖了血迹和尸体。双方兵力各有伤亡，阿里不哥渐渐暴露出兵力不足的劣势。亲王合丹率领的军队击溃其右翼的三千人马及大将合丹火儿赤，但中军和左翼伯仲难分。

塔察儿与合必赤等分兵数路追击五十余里，又斩杀阿里不哥兵马无数。在忽必烈疾驰如风的追击下，部将阿脱等被降服，阿里不哥率领残兵败将仓皇北遁。

耶律铸曾赋诗《昔木台》，颂扬此次战争：

辟易天威与胜风，一场摧折尽奇锋。

西北龙荒三万里，并随驱策入提封。

看到被击败的阿里不哥向北仓皇逃窜时，忽必烈挥了挥手，大度地说：“不要去追他们，他们都是些不懂事的孩子，应当使他们明白过来，后悔自己的行为。”

其实，并不是忽必烈不想追击，而恰在此时，盘踞在山东益都长达三十年的世侯李璮举起叛旗，忽必烈只好匆匆南下山东扑灭叛军，才使阿里不哥得以逃脱。

阿里不哥却以为忽必烈临阵怯战，十天后，又纠集一些散兵游勇后，掉转兵锋，再次向忽必烈发起进攻。在失烈延塔兀之地两军酣战在一起，忽必烈亲自率军击溃阿里不哥军右翼，但左翼胜负难分，激战竟日，不分胜负，战至黄昏，各自收兵回营。

对峙了几日，因粮饷器械严重匮乏使阿里不哥陷入绝境，遂引兵退还。由于粮饷奇缺又引发一些新的矛盾，使争汗的战局向忽必烈这边扭转了。

原来，阿里不哥之前战争的开支，主要靠察合台汗国的宗王阿鲁忽供给。蒙古帝国第五任大汗蒙哥去世后，争夺汗位的忽必烈和阿里不哥分别派支持自己的察合台系宗王莫图根之孙阿必失合和察合台第六子拜答儿之子阿鲁忽去虎牙思夺取汗位。

阿必失合从忽必烈控制的区域前往察合台汗国，在经过阿里不哥控制的范围时，被阿里不哥处死。于是，阿鲁忽带着阿里不哥的诏书，顺利接管了当时察合台汗国监国摄政的兀鲁忽乃（阿鲁忽寡居的堂嫂）的权力。为了在乱世中保全自己，兀鲁忽乃只好前往哈拉和林找阿里不哥理论，被阿里不哥扣下。

阿鲁忽的父亲拜答儿是蒙古帝国第三代著名将领，在“长子西征”中率领一军全歼波兰日耳曼条顿骑士团联军。阿鲁忽秉承了其父的谋略，但这位名将之后绝非忠贞不贰之辈。他首鼠两端，忽必烈和阿里不哥谁是战争的最后胜利者，他便依附于谁。

接连的战事失利，使阿里不哥损失了大量的兵马钱粮，在没有告知阿鲁忽的情况下，加大了对察合台汗国的勒索力度，又征集了大量牲畜、器械和粮草。阿鲁忽见阿里不哥屡败兵竭已失去继续依附的价值，遂在派人接管了撒马尔干、不花剌和河中地区的同时，又将东自金山、西至阿母河的土地据为己有后，将阿里不哥的使者杀掉，并没收了他们征集来的军需，宣布归顺忽必烈。旭烈兀也倾向于忽必烈，并遣使责备阿里不哥。于是，他们各自控制区的统治权也得到了忽必烈的认可。

这种难以意料的打击，使阿里不哥几乎丧失了理智，为发泄私愤，在不顾和忽必烈对峙的严峻形势下，毅然从前线撤回军队，转而向察合台国进军，想狠狠教训一下这个昔日盟友。

1261年春，见阿鲁忽胆敢背叛自己，阿里不哥立即率兵前去攻伐阿鲁忽。虽然先遣部队在速惕阔勒被阿鲁忽打败，但阿里不哥的军队趁其不备，攻取伊犁河地区及察合台汗国的京城阿力麻里。阿里不哥的疯狂报复，使天山南北一带简直变成了一座人间地狱。牧民们的牲畜、毡房均被洗劫一空，成年男子全部处死。阿鲁忽见狂妄难敌，便退居于阗，后败走撒马尔干。

其实，阿里不哥拥有相当富庶的根据地，倘若悉心经营，肯定会营造出一番锦绣气象来。但他屯兵阿力麻里后，经常作威作福以彰显自己大汗的威严，处置政事不公允，常常大肆杀掠属地军民，时值大饥，民怨沸腾，四面树敌。令许多原来拥护他的诸王、那颜大失所望，相较之下，他们觉得忽必烈在为人处世上要仁慈厚道得多。于是，他们便相继弃他而去，转投至忽必烈的帐下。临走时，他们说，阿里不哥“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”。甚至连最拥戴他的玉龙答失（蒙哥之子）向阿里不哥索回蒙哥的玉玺后，便偕同一些千夫长扬长而去。

陷入孤家寡人、粮尽援绝的泥沼里，阿里不哥才幡然醒悟，原来战争并不是依靠单枪匹马一决胜负的，还必须依靠强大雄厚的后盾来支撑。抢劫固然逞勇于一时，但绝非长久之计。1264年春，使阿里不哥雪上加霜的是，阿力麻里发生大面积饥荒，造成大批牲畜和兵卒死亡。

值阿里不哥势力衰败之际，阿鲁忽趁机举兵来伐，使他无法在那里立足。阿里不哥难以抵御阿鲁忽的攻伐，便放回兀鲁忽乃作为缓兵之计，结果，阿鲁忽顺势娶了兀鲁忽乃为妻，立木八剌沙为自己的继承人，更加维持了察合台汗国的稳定性。

在忽必烈和阿鲁忽的双重夹击之下，阿里不哥的兵力孱弱，已濒临绝望的边缘，败局无力挽回。

1264年七月，阿里不哥在穷蹙不支之下，南下开平降顺忽必烈。当阿里不哥抵达上都开平时，忽必烈故意聚集很多军队，命阿里不哥按照蒙古草原上的罪人请罪的旧俗，披着大帐的门帘入帐觐见。为严厉惩罚阿里不哥，起初，忽必烈仅允许他站在侍从们待的地方。后来，经过塔察儿的再三恳请，忽必烈才招了招手，同意阿里不哥与宗王们坐在一起宴饮。

望着这位在疆场上与自己自相残杀长达四年之久的同胞兄弟，忽必烈的脑海里又浮现出父亲拖雷去世后，在寡母唆鲁禾帖尼严厉的教育下一起度过的那段美好而难忘的时光。忽必烈仰首把一杯美酒倒入口中，家族荣誉感和手足之情一齐涌来，顿时热泪长流。阿里不哥像一个做错事的小学生，也流下悔恨的泪水。

当时，这个场景碰巧被旭烈兀的使者看到，返回伊利汗国后，把忽必烈和阿里不哥兄弟俩相见的情况汇报给旭烈兀，他对忽必烈以这种接见一奶同胞兄弟的方式深表不满，认为这“使宗亲蒙受了耻辱”。当时，忽必烈也承认自己的做法确实有点儿过火。以后，为了让阿里不哥对自己行为忏悔，他整整一年时间没有接见阿里不哥。

但对于那些纵容阿里不哥与忽必烈抗衡的叛臣就没有阿里不哥幸运，都受到应有的惩罚。当时，被拘捕的阿里不哥党羽数千人，究竟如何处理，忽必烈绞尽脑汁，难以定夺。许多将领认为，这些人罪大恶极，使多少蒙古人的性命断送在他们手里，不杀不足以平民愤。

当时安童在忽必烈左右，参与审问阿里不哥叛党。安童是开国元勋木华黎之孙，霸突鲁之子，因祖父的功劳“召入长宿卫，年方十三，位在百僚上”。但是，安童不是凭借祖荫而立足元廷的。他聪明好学，志气非凡。一天，忽必烈与安童的母亲和姨母谈话，问起安童的情况时，安童的母亲介绍说：“安童虽幼，公辅器也。”忽必烈问其故。安童母亲答道：“每退朝必与老成人语，未尝狎一少年，是以知也。”忽必烈听后，大为赞赏，因而时时注意培养、考察这位少年得志的年轻人。

针对如何惩办阿里不哥党羽之事，忽必烈遂向安童讨主意：“朕欲置此属于死地，何如？”

安童却提出不同的建议：“人各为其主，陛下甫定大难，遽以私憾杀人，将何以怀服未附。”

忽必烈听后，惊讶地说道：“卿年少，何从得老成语？此言正与朕意合。”

对此，忽必烈又遣使去征求旭烈兀和阿鲁忽等四大汗国的意见。他们回复说，看在同是成吉思汗子孙的分儿上，可以赦免。

忽必烈决定赦免阿里不哥，为了立威，还是挑了十名首犯，以教唆罪处死。这些人的儿子，仍保留官职。

随后，忽必烈把阿里不哥叫来，向其讲述了汗廷对他的宽大处理的态度。桀骜不驯的阿里不哥勉强地礼拜谢恩。忽必烈快意恩仇地问：“我亲爱的兄弟，在这场纷争中究竟是谁错了呢？是你还是我？”

阿里不哥长舒一口气，哽咽着说：“从前是我，现在是你。”

这就是阿里不哥执拗的性格，尽管已投降忽必烈，并不打算把所有的错误都归咎于自己。也就是说，虽然他在两雄争霸中一败涂地，但对自己称汗漠北的事实，认为是长生天的旨意。

得到忽必烈宽容的阿里不哥，于翌年秋天，忧郁而死，被葬在草原母地。阿里不哥的投降，确立了忽必烈在蒙古帝国的正统地位，帝国的中心也渐渐由哈拉和林转移至中原地区。

为庆祝阿里不哥归降和蒙古汗国的重新统一，同年八月，忽必烈特将中统五年改为至元元年，以示鼎新革故之意。