1259年，蒙哥汗死後，當時阿裏不哥戍守都城哈拉和林（今蒙古烏蘭巴托西南哈刺和林），而忽必烈正率軍在湖北與南宋作戰，旭烈兀則率軍在敘利亞境內作戰（參見蒙古第三次西征之戰），於是阿裏不哥覺得機會難得，開始謀奪汗位。阿裏不哥令左丞相阿蘭答兒征兵漠北，燕京行省脫裏赤征兵於河朔。
忽必烈受到密報後，立即率軍北歸，於1260年三月，到達開平（今內蒙古正蘭旗東北閃電河北岸），東道諸王塔察兒、移相哥（也先哥）、忽剌忽兒、爪都，西道諸王合丹、阿隻吉、阿必失合等也來到開平城，召開了忽裏台。諸王大臣共推忽必烈為大汗，即元世祖，建元紀歲，定當年為中統元年。召開諸王大會，即帝位。
五月，阿裏不哥在漠北和林城西按坦河也召集支持他的東、西道諸王召開忽裏台，宣布即汗位。其中有蒙哥汗妻斡兒哈納哈敦和蒙哥的三個兒子阿速台、玉龍答失及昔裏吉，西道諸王有察合台孫阿魯忽、術赤長子斡兒答的兒子合剌察兒等人，東道諸王有塔察兒的兒子乃蠻台等。隨蒙哥汗征宋的一些將領、駐六盤山的蒙古軍主帥渾都海、陝西的劉太平都擁護阿裏不哥。
阿裏不哥稱汗後，命劉太平、霍魯海行省於關右，約六盤山守將渾都海等，自關中進兵反忽必烈。同時，阿裏不哥派遣阿藍答兒率軍南下支援他們，試圖舉兵占領漠南漢地。
忽必烈遣廉希憲為京兆等路宣撫使，出兵陝西，廉希憲擊敗了阿裏不哥在這個地區的主要支持者劉太平，並控製了該地區本來供應阿裏不哥軍隊的糧倉。在取得這個勝利之後，他又向西進軍，把阿裏不哥的支持者驅逐出西北重鎮涼州和甘州。同時，他派遣了一批精銳部隊向南開往四川，牢牢控製了那個重要省份。
忽必烈的支持者宗王合丹、汪良臣等則擊敗渾都海和阿藍答兒軍，殺死二人。這樣，忽必烈的軍隊差不多已經肅清了中國西北和西南部的所有敵人，控製了關隴川蜀地區。
七月，忽必烈率軍親征和林，和林城依靠中原供給糧餉，此時運輸中斷，糧餉不繼。阿裏不哥封察合台後王阿魯忽為察合台汗，命其回國就任，約其濟以兵械糧餉，並守錫爾河，以防旭烈兀和欽察汗國的別兒哥二王來侵犯。九月，阿裏不哥逃回自己的封地謙謙州（今葉尼塞河上遊南）。他恐怕忽必烈來攻，一邊采用緩兵之計，遣使假稱願奉忽必烈為汗，待馬肥之後入覲，一邊約阿魯忽、旭烈兀、別兒哥等諸王至，共商繼位之事。忽必烈留宗王移相哥率兵守和林等待阿裏不哥，自己返回開平。
阿裏不哥投降
此前，忽必烈為控製中亞察合台汗國，派遣察合台曾孫阿必失合的的兒子兀魯克前往察合台汗國主政，途經陝西時被支持阿裏不哥的人逮捕，並被處斬。
為了爭奪察合台汗國，阿裏不哥派遣阿魯忽前去主政。而阿魯忽也比較幸運，他終於到達了目的地，並被立為察合台汗國的可汗。阿裏不哥此時似乎在中亞有了一個極為寶貴的盟友，一個可以為他提供急需的糧餉和其他補給品的盟友。控製察合台汗國及其資源，或者至少與其保持良好關係，對阿裏不哥是至關重要的。因為隻要阿魯忽掌握權力並和阿裏不哥保持良好關係，阿裏不哥就有機會和忽必烈一爭高下。
但是，阿魯忽不僅不向阿裏不哥提供軍械糧餉，反而倒向元世祖一邊。阿裏不哥憤怒之下率軍攻打阿魯忽，並攻占了阿力麻裏（今新疆霍城西北克根河西）和亦列河（今伊犁河）等地，阿魯忽退至撒麻耳幹。阿裏不哥在察合台汗國境內燒殺擄掠，不久，跟隨他的一些諸王也以種種借口離他而去，阿裏不哥隻好班師。
1261年秋，阿裏不哥在回封地途中突然襲擊和林，重新占據漠北。元世祖再次親征，十一月，雙方大戰於昔木土腦兒，阿裏不哥退回封地。元世祖通過承認旭烈兀和阿魯忽對波斯及河中地區的統治權，得到了他們的支持。欽察汗支持阿裏不哥，但隻是從中調停，不願直接參與雙方爭奪。窩闊台汗國的海都雖支持阿裏不哥，也隻是觀望。
1262年二月，正當元世祖與阿裏不哥交戰之際，盤踞山東的漢族地主武裝頭目李璮以宋朝為外援，發動了叛亂，占據濟南，聯絡各地漢族世侯，試圖控製中原地區，但是，漢族世侯無人響應。元世祖調集蒙古軍及各地漢族世侯之兵圍攻濟南，七月，城破，李璮被殺。
忽必烈即位後，接受漢族幕僚的建議，在中原采用傳統的封建統治方式，任用儒臣和漢族世侯，建立中書省、十路宣撫司等機構，憑借中原雄厚的財力和物力，打敗了阿裏不哥。平定李璮叛亂後，元世祖因勢利導，罷世侯，置牧守，實行兵民分治。罷州郡官世襲，實行遷轉法，剝奪漢族地主掌握私人軍隊和專製一方的權力，加強了中央集權。
此前，阿裏不哥在察合台汗國境內的暴行已促使很多人背叛了他。
但他的軍隊的變節行為在1263年極端嚴酷的冬天顯著增加。饑荒威脅著阿裏不哥的軍隊和他的國家的生存，許多士兵和馬匹死亡。在春天來臨之前，甚至他的一些最忠心的支持者也拋棄了他。旭烈兀的一個兒子玉木忽兒聲稱自己生病了，離開他前往中亞西部城鎮撒馬爾罕。