当年六月，廉希宪等人到达京兆（长安），此时的形势已经非常严峻了，不过好在忽必烈和阿里不哥还没有正式开战，京兆守臣刘太平对廉希宪等人并未表现出强烈的敌意，廉希宪便趁机暗结大将刘黑马、汪良臣等人，以谋反的罪名迅速将刘太平捕杀，控制住京兆府的局势。但整个川陕地区的形势仍不乐观，因为驻军六盘山的浑海都手握重兵，又是阿里不哥的死党，此人不除，忽必烈系控制川陕局势就无从说起。

　　廉希宪不禁为此忧心忡忡，便找来商挺商议对策，商挺分析道：“如果站在敌人的角度考虑问题，有上中下三策之分，浑海都率六盘山精锐之师直奔京兆，是上策；按兵六盘，伺机而动，是中策；整装北返，退往和林，则是下策。”廉希宪急忙问道：“那么据你分析，浑海都会采取哪种策略呢？”商挺答道：“必出下策！”（4）
　　事情还真被商挺料中，浑海都得知刘太平被杀之后，急忙带兵北返，准备与阿里不哥派来接应他的阿兰答儿军会合，廉希宪得知后立即派大将八春、汪良臣率兵追击，路上又与忽必烈派来支援的合丹（窝阔台之子）军会师，两军兵合一处，将浑海都和阿兰答儿杀得大败，使这支蒙军几乎全军覆没，浑海都和阿兰答儿临阵战死，这样川陕地区的局势就被忽必烈牢牢掌握住了。

　　川陕地区平定后，阿里不哥在漠南之地的势力基本被消灭，局势对他已有所不利。阿里不哥不甘心失败，立即派诸王出术哈儿（旭烈兀之子）率兵南征，力图挽回败局，但又被诸王也先哥率兵击败，使胜利的天平彻底倒向了忽必烈这一方。
　　公元1260年底，忽必烈准备乘胜追击，亲征和林，阿里不哥闻讯之后自知不能力敌，急忙带人逃往吉利吉思（今俄罗斯叶尼塞河上游地区），又使出缓兵之计，向忽必烈派出使者，称自己已经真心悔过，愿意削去汗号，奉忽必烈为主。此时天寒地冻，不是打仗的好时机，忽必烈也不想把阿里不哥逼上绝路，便同意了他的请求，留也先哥驻军和林，等候阿里不哥归降，自己则率部南返，回到了开平大本营。

　　吉利吉思是阿里不哥的封地，这里有他很广泛的社会基础，忽必烈停止进攻后，阿里不哥迅速稳住了阵脚，他本来也无意投降，此时便趁机向四处扩张，到处抢占地盘，从兀鲁古乃手中抢来了察合台汗国的大权，并委派诸王阿鲁忽（察合台之孙）镇守，窝阔台汗国的海都也表示支持他与忽必烈争夺汗位，这样阿里不哥的声势又重新振作。

　　公元1261年秋，阿里不哥觉得再度向忽必烈发起挑战的时机已经成熟，便率军回到了和林，派人对驻守和林的也先哥谎称自己准备兑现诺言，向忽必烈投降。也先哥智商低的也真够可以，对此居然毫不怀疑，满心欢喜地列队相迎，但随后就遭到阿里不哥的袭击，整支队伍都被打散，和林也落入了阿里不哥的手中，阿里不哥随后又乘胜南下，率军直奔开平，忽必烈闻报大惊，急忙率部反击。

　　当年十一月，双方大战于昔木土脑儿之地（今内蒙古东乌珠穆沁旗西北）， 是战忽必烈命诸王塔察儿等为左军，诸王合丹等为右军，诸王哈必赤（成吉思汗之侄）为中军，三军合力并进，大破敌军，追杀五十余里，阿里不哥只得狼狈逃回和林。
　　此战过后，忽必烈决定对阿里不哥穷追猛打，彻底清除后患，便封皇子真金为燕王，领中书省事，镇守中原汉地，又命尚书怯烈门、平章政事赵壁兼大都督，与诸王塔察儿北上讨伐阿里不哥，并下令封锁中原通往和林的粮道。
　　和林位于今蒙古国后杭爱省厄尔得尼召境内，气候寒冷、物产贫瘠，连粮食都要靠中原供应，并不适合做一个大国的都城，以前蒙古没闹内乱时，这个矛盾还不算突出，此时粮道被封锁之后，连最基本的生活问题都难以保证，顿时就使阿里不哥陷入了困境。为了解决物资奇缺的难题，阿里不哥只得向察合台汗王阿鲁忽索要牛马钱粮。本来阿鲁忽能当上察合台汗国的大汗，靠的全是阿里不哥的扶持，所以他理应为阿里不哥提供帮助。谁知屋漏偏逢连夜雨，阿鲁忽原来是个白眼狼，不但不对阿里不哥贡献钱物，还把他派去的使者扣留，为防止以后会遭到阿里不哥的报复，阿鲁忽干脆一不做、二不休，派人去向忽必烈请求归附。

　　阿里不哥一直都对阿鲁忽寄予厚望，谁知他翻脸无情，提上裤子不认账，阿里不哥在盛怒之下，也顾不上抵御忽必烈，直接带兵去讨伐阿鲁忽。临行前，阿里不哥知道和林城必定不保，便特意嘱咐城内的各派教长，说道：“如果忽必烈来了，就直接投降吧！免得受刀兵之苦。”果然他走之后，各派教长就立刻遣使向忽必烈投降，这样和林城就再度落入忽必烈的手中。

　　忽必烈再入和林之后，本想乘势追击，彻底平服阿里不哥之乱，谁知此时后方突然传来消息，盘踞在山东的李璮联合南宋作乱，忽必烈闻讯之后，只得被迫放过阿里不哥，率军南下征讨李璮，这就给阿里不哥全力征讨阿鲁忽制造了机会。
　　阿鲁忽统治的察合台汗国，统治着包括天山南、北路与裕勒都斯河和玛纳斯河流域以及阿姆河、锡尔河之间的广大地区，首都为虎牙思（今新疆霍城县水定镇西北）。阿里不哥出兵后，最初还算顺利，接连将阿鲁忽击败数次，并将他赶到了撒麻耳干（今乌兹别克撒马耳罕）。可是阿里不哥性格粗暴，进入察合台汗国后就纵兵疯狂杀掠，甚至就连察合台汗国内的蒙古人也难逃毒手。这一来，不禁大失人心，不但察合台汗国内的百姓纷纷起来反抗，就连原先支持阿里不哥的诸王，如玉龙答失、昔儿吉等人也纷纷离去，跟他划清了界限，有不少甚至倒戈归附了忽必烈。

　　而在此之前，阿鲁忽为了控制察合台汗国全境，又出兵将钦察汗国的势力赶出了河中地区，这就把实力最强的钦察汗国得罪了。当时阿鲁忽还在名义上接受阿里不哥的领导，所以钦察国王别儿哥就把这笔账算到了阿里不哥的头上，公开表示支持忽必烈，对付阿里不哥。而此时正在撤军路上的另一个蒙古大人物旭烈兀，也因看出阿里不哥必败大势已去，而决定支持忽必烈，这就使忽必烈的声势愈加强大，而阿里不哥这边则是内忧外患、众叛亲离。

　　阿里不哥面对这种艰难处境，也是一筹莫展，只好决定先跟阿鲁忽讲和再说，便把兀鲁忽乃派出跟阿鲁忽谈判，准备跟阿鲁忽罢兵讲和，让他继续统治察合台汗国。兀鲁忽乃是察合台之孙哈剌旭烈的妻子，也是原察合台汗国的实际控制人，阿里不哥让她去跟阿鲁忽谈判已经很令人难以理解了，谁知这时又出现了一件更令人匪夷所思的事情，就是兀鲁忽乃到达撒麻耳干后，发现阿鲁忽是个十足的帅哥，竟然对他一见钟情，马上就嫁给了他。兀鲁忽乃在察合台汗国统治多年，有很高的威望，远近百姓、士兵闻讯后纷纷来投，顿时使阿鲁忽声势大振，不但不肯与阿里不哥和谈，反而在撒麻耳干城内大张旗鼓，准备以武力将阿里不哥赶出察合台汗国。

　　阿里不哥闻讯之后气急败坏，可又无可奈何，此时他势单力孤，已无力与阿鲁忽交战，只好赶在阿鲁忽出兵之前，率部退回到自己的封地吉利吉思。至此，阿里不哥大势已去，因为忽必烈已牢牢地控制了国内最富庶的地区，并得到绝大多数宗王们的支持，而阿里不哥则是众叛亲离，控制的吉利吉思位处帝国北陲，阴寒缺水，土壤沙漠化，穷得鸟不生蛋，连自给自足都无法做到。公元1264年七月，走投无路的阿里不哥终于认清形势，承认自己已彻底失败，便主动赴开平向忽必烈投降，这场长达四年之久的兄弟之战，直到此时才宣告终结。

　　（1）见《续资治通鉴》第一百七十六
　　（2）见《多桑蒙古史》上册第三卷《忽必烈时代》