宗王乃颜为成吉思汗幼弟铁木哥斡赤斤玄孙，塔察儿之孙，所继承的封地以今呼伦贝尔地区为中心，控制了东起松花江，西逾大兴安岭，南抵辽河，北达嫩江的辽东大部分地区，成为辽东实力强大的“东道诸王”之首。

之前有山东军阀李璮叛乱的教训，忽必烈在全力以赴对付西北诸王进攻的同时，一只眼睛也在紧盯着雄踞辽东的乃颜。西北烽火正浓，辽东也起了狼烟。

1286年，“廷议以东北诸王所部杂居其间，宣慰司望轻，罢山北、开元等路宣慰司，立东京等处行中书省”，初治辽阳，后移至咸平（今辽宁开原）。因东京等处行中书省的设置限制“东道诸王”势力向辽东的蔓延，加强元廷对东北地区的控扼，损害了乃颜的既得利益。乃颜继立后，遂于1287年起兵反叛。

“东道诸王”之首乃颜纠集合撒儿后王势都儿、合赤温系诸王哈丹秃鲁干、胜纳合儿等在漠北份地举兵反元，宣布不再做忽必烈的臣属。乃颜作为领头拥护忽必烈登基的塔察儿的孙子。多少年来，以塔察儿为首的“东道诸王”一直是忽必烈的坚定拥护者，曾经并肩讨伐阿里不哥、灭亡南宋、抗击海都。塔察儿去世后，他的继承人乃颜便背叛自己的祖父，公然向忽必烈举起叛旗。

叛军的活动，西面直达土拉河中游，东面则从大兴安岭东麓洮儿河地区及松嫩流域向水达达居地乃至辽河流域扩展。乃颜试图争取西道诸王接应，由东向西打通岭北，占领“国家根本之地”的战略计划。

由于乃颜叛军势力地盘距哈拉和林及上都较近，年迈的忽必烈闻讯后，极为重视，当机立断，果断采取一系列措施。传旨下去：为防止东、西道诸王夹攻岭北，合兵南下的危险，特命北安王那木罕（1282年，被封为北安王，三年后，赐北安王螭纽金印）所部土土哈从杭爱岭、和林驻地东行，“疾驰七昼夜”在土拉河一带布防，挫败乃颜叛军西掩的兵锋。接着又沿克鲁伦河而下，破其后续部队万余骑。乃颜试图争取西道诸王接应，由东向西打通岭北，占领“国家根本之地”的战略计划，在叛乱之初即宣告失败。

针对乃颜的起叛，御史大夫博罗欢分析道：“昔太祖分封东诸侯，其地与户，臣皆知之。以二十为率，乃颜（按指斡赤斤后王）得其九，忙兀、兀鲁、札剌儿、弘吉剌、亦乞烈思五诸侯得其十一。”

此战成功与否，都关系着大元帝国的命运，七十三岁高龄的忽必烈不顾年老体衰，决定御驾亲征讨伐乃颜叛军。甚至发誓说：“假若他不能得胜而去处死那两个不忠的叛逆，他将不要再戴皇冠或去保守他的领土了。”同为“黄金家族”的子孙，因为汗位之争，现在成为势不两立的敌人。双方对阵，“时将校多乃颜部人，或其亲旧，立马相向语，辄释杖不战”。

1287年五月初九，忽必烈亲乘象辇，率博罗欢所领五部军及李庭所领诸卫汉军，从上都出发，途径应昌（今克什克腾旗达来诺尔），沿大兴安岭西麓北上，以迅雷不及掩耳之势逼近乃颜领地。北征元军主力由玉昔帖木儿率领，与忽必烈分道行进。之前，派伯颜率军进驻哈拉和林，封锁乃颜与叛王海都的联系，使他们得不到来自忽必烈任何行动的讯息。

乃颜是一位受洗过的聂思托里安教徒，叛军的旗帜（或称纛）上都绣有一个十字标志。乃颜所继承的封地以哈剌哈河（今哈尔哈河）为中心，包括辽东大部地区。国土占东道之王领土的十分之九，军队约有十二万人，自斡赤斤至乃颜五世，一直雄踞辽东，早有蔑视元廷之心。

乃颜叛乱的深层原因是长期以来铁木哥·斡赤斤家族同蒙古帝国之间的矛盾，特别是铁木哥·斡赤斤被贵由处死的阴影长时间滞留在后代宗王们心中挥之不去，伺机复仇的野心时时刺激着他们。乃颜做梦也没想到，年事尚高且有关节酸痛缠身的忽必烈在二十天之内迅速集结起大都、上都附近的全部军队，从长江下游的海口，元朝帝国的兵船运载着大批军需一直抵达辽河口，势如破竹般向他的营地靠拢。拉施特记载，这次行军异常艰巨，在一段时期内，势均力敌，胜负难分。

六月三日，兵贵神速，忽必烈大军突进撒儿都鲁（今呼伦湖东南沙尔土冷呼都克），乃颜所部六万骑兵逼象辇而阵。先后与叛将黄海、塔不台、金家奴等叛军“众号十万”遭遇。

时值大兴安岭阴雨连绵，元军兵马劳顿，加上元军在数量上居于劣势，且军中粮草匮乏，因此，两军交战，旗鼓相当。忽必烈亲临督战，依然乘象辇临阵，“意其望见车驾，必就降”。

但叛军强弓劲射，悉力攻击象辇，忽必烈被迫下辇，改乘马匹。幸亏依靠元军将士奋力抵御，才压住叛军凌厉的攻势。等夜幕降临，元军以兵车环绕为营卫，不复出战，加以疑惑叛军。入夜，阴雨稍停。李庭身先士卒，率领壮士十余人，手持火炮，潜入叛军营地。一时火炮齐鸣，箭矢如蝗倾泻如雨，刀剑砍杀声铿锵入耳。从睡梦中惊醒的叛军惊慌失措，混乱中自相残杀，全军尽溃，忽必烈转危为安。

此战之后，留下部分军队镇守哈尔哈河，复选精骑扈驾，至失剌斡耳朵（译言黄帐，即斡赤斤后老营），元军继续围剿叛军残余势力。另外，玉昔帖木儿率领元军主力击败了叛王哈丹秃鲁干后，也赶来与李庭等汉军会合，包围了乃颜的军帐。

忽闻炮声轰鸣，正与妻妾同枕而眠的乃颜慌忙披挂上阵迎战元军。在微曦中，但见忽必烈亲率怯薛军、汉军屯守在一座土山顶上，居高临下，挥舞着军旗，排兵布阵。忽必烈乘坐在四头象驮着的木楼上，楼上飘扬着绘有日月图案的大汗皇旗，与乃颜叛军绣有十字架的战旗遥遥相对。三万元军分为三队骑兵，左右两翼的军队向两侧雁翅般张开包抄叛军的侧面，各骑兵之后跟着排列五百手持短矛和剑的步兵，步兵全队皆如是阵。

鼓响之后，忽必烈亲雷战鼓，向两翼骑兵发起冲锋的号令，战幕徐徐启开。“锋既交，两阵矢急射，几蔽天。”刹那间，双方骑兵坠马而死者无以计数。当双方的弓箭都射完毕，就开始短兵相接。元军将士竭力厮杀，用矛、剑和短锤等器械陷阵力战，直杀得血流成河，堆尸如山。玉昔帖木儿以钦察将领玉哇失为前锋，突骑先登，得到后续兵力的大力支持。会战自寅时至午时，叛军溃败，乃颜狼狈东撤到大兴安岭西侧哈尔哈河与诺木尔金河交汇处以东三角地带的不里古都伯塔哈山地。此山位于连接大兴安岭东、西两侧的交通枢纽地带。

元军在玉昔帖木儿的指挥下追逐乃颜残军，两军列阵于不里古都伯塔哈山，玉昔帖木儿力挫叛军。乃颜手刃爱妾后仓皇逃窜，至失列门林之地被元军追擒。乃颜残存的兵力全部投降元军，发誓永远效忠忽必烈。

忽必烈听到乃颜被擒获的消息后，没有像当初对待阿里不哥那样宽容，下令立即将其处死，弃尸木脔河。乃颜是按照蒙古大札撒“教杀时血不教出”的方式来受刑的，即经捆绑后裹进毡毯，然后被反复拖曳抛甩，受簸震至死。

处死乃颜后，元军继续进兵，北至海剌儿河，东逾哈剌温山，进至那兀江（嫩江）流域，追击乃颜余党。哈丹秃鲁干降，不久又叛，后逃窜高丽，1291年始被平定。

乃颜叛乱平定后，忽必烈随即将叛王的分民、财产没收，另分于他人；又命在乃颜故地立肇州城（今黑龙江肇源西），并将其所领的部分蒙军分置于河南、江浙、湖广、江西诸省。经过这次打击﹐东道诸王的势力大为削弱，受朝廷所置行省的节制。

在漠北地区乘象督战是一件空前绝后的事情，因此这个细节也被马可·波罗记录了下来。另外，王恽作《东征诗》，纪念这场扭转大元帝国乾坤的战争：

东藩擅良隅，地旷物满盈。

漫川计畜兽，荡海驱群 。

盛极理必衰，彼狡何所惩。

养虺得返噬，其能遁天刑。

远接强弩末，近訹乳臭婴。

一朝投袂起，毡裘拥矛矜。

天意盖有在，聚而剿其萌。

荓蜂有螫毒，大驾须徂征。

寅年夏五月，海甸观其兵。

凭轼望两际，其势非不勍。

横空云作阵，裹抱如长城。

嚣纷任使前，万矢飞欃枪。

我师静而俟，衔枚听鼙声。

夜半机石发，万火随雷轰。

少须短兵接，天地为震惊。

前徒即倒戈，溃败如山崩。

臣牢最忾敌，奋击不留行。

卯乌嗢都间，天日为昼冥。

僵尸四十里，流血原野腥。

长驱抵牙帐，巢穴已自倾。

彼狡不自缚，鼠窜逃余生。

太傅方穷追，适与叛卒迎。

选锋不信宿，逆颈縻长缨。

死弃木脔河，其妻同一泓。

彼狡何所惜，重念先王贞。

择彼顺祝者，其归顺吾氓。

万落胁罔治，无畏来尔宁。

王师固无敌，况复多算并。

君王自神武，岂惟庙社灵。

三年哂东山，殪戎营柳清。

都人望翠华，洗兵雨何零。

长歌入汉关，喜气郁两京。

小臣太史属，颂德职所承。

虽非平淮雅，动荡耳目精。

赫赫桓拨烈，仰之如日星。

泚笔为纪述，发越吾皇英。

召穆美常武，且莫夸雷霆。

忽必烈不顾年迈，以闪电般的速度迅疾扑灭了乃颜叛火，掐断了海都继承汗位的苗头。然而，海都疯狂报复的贼心依旧颠扑不灭。因海都采用游击战术，使元廷多年无法集中剿灭。1289年，海都又攻哈拉和林，忽必烈亲统大军北上征讨。海都不敌，率部逃遁。忽必烈先后派伯颜、玉昔帖木儿等主持西北军事，海都势力被驱出阿尔泰山以外。

当忽必烈去世后，其孙子兼继承者铁穆耳接过剿灭叛军的接力棒，继续歼灭海都叛军的战争。1301年，海都做了进攻大元帝国的最后一次努力。这次有窝阔台系和察合台系的许多宗王参加。他向哈拉和林进军，和林当时由铁穆耳皇帝的侄子海山王子镇守。八月，两军在和林与鄂尔浑河左岸支流塔米尔河之间展开一场大战。元军改取大规模的凌厉攻势，顺谦河北进，接着折向西南，结果海都战败，并在撤退中死去。1306年，海都的儿子察八儿率部归顺元朝。

海都等兴兵与元朝长期对抗，迫使忽必烈全力应付，耗尽大量的人力、物力， 致使东亚、中亚、西亚人民大量流徙死亡，田野荒芜；同时也扩大了黄金家族的内讧，进一步加深了各汗国的分裂。