在物資供應困難的情況下，阿里不哥派跟隨他的察合台的另一個孫子阿魯忽回去察合台汗國主掌國事，並與他約定為自己提供武器和糧食，防範旭烈兀和別兒哥對忽必烈的支持。
此時的形勢對於阿里不哥而言相當不利。擔心忽必烈追擊自己的阿里不哥遂派遣使者向忽必烈請求寬宥，並稱等秋高馬肥之時就前去請罪。他還表示願意約伯勒克、旭烈兀、阿魯忽三王一同入朝覲見，共同解決汗位繼承之事。
忽必烈不疑有詐，馬上表示同意，說「我信弟言，願弟於三王到達以前，先圖一晤」。遂留成吉思汗弟弟哈撒兒的兒子也孫哥鎮守漠北等候阿里不哥，自己則冒著嚴寒返回開平，處理國事。
阿里不哥臣服
得到忽必烈信任的阿里不哥，遂在吉里吉思修整。事實上，向忽必烈請求寬宥只是他的緩兵之計。在修整了一個冬春後，1261年秋天，在自己的軍隊兵強馬壯、援軍到達後，阿里不哥違背承諾，再次向忽必烈發起進攻。他先向駐守在和林的也孫哥偽稱率眾來歸，也孫哥深信不疑，表示歡迎，而阿里不哥趁其不備，發動突然襲擊，並將其打敗，佔領和林。隨後，阿里不哥率領大軍南下，直指忽必烈的開平府。
忽必烈聽聞阿里不哥假裝歸順、佔領和林的消息後，親率諸路漢軍與蒙古諸王所轄部隊北上迎戰。雙方在昔木土腦兒（今蒙古蘇赫巴托南部）相遇，忽必烈大軍大敗阿里不哥右翼軍，待蒙哥之子阿速台率領的後繼部隊趕到，阿里不哥回軍再戰，兩軍鏖戰至夜仍不分勝負，遂鳴金收兵，暫時返回各自營地。此後直到冬季，雙方相峙於大磧南緣。
此時，回到察合台汗國並取得權力的阿魯忽因不滿阿里不哥多次向其徵兵徵糧，拒絕再向他提供給養。由於給養越來越困難，阿里不哥沒辦法，直接派人去察合台汗國境內徵集牲畜、馬匹和武器。阿魯忽聽說後大怒，下令奪走了那批財物，並率兵到忽只兒之地，殺死了使臣，公開與阿里不哥決裂，並轉而承認忽必烈為大汗。忽必烈後同意將阿爾泰山至阿姆河之間的土地歸阿魯忽所有，阿魯忽十分高興。
阿里不哥聞聽阿魯忽背叛了自己，大為震怒，不顧與忽必烈大軍對峙的形勢，於1262年春決意攻打阿魯忽，並放棄了和林。和林守軍歸降忽必烈，忽必烈採取安撫政策，並承諾免其今年賦稅。忽必烈本想派兵追擊阿里不哥，但因為得知江淮大都督李璮在山東叛亂，殺死大部蒙古軍，以地歸宋，遂率軍返回漠南。
返回後，忽必烈命異母兄弟哈必赤、丞相史天澤率兵圍攻李璮。李璮固守濟南城，四個月後，糧盡的濟南城被攻破，李璮手刃妻妾後，乘船進入大明湖，欲投水自盡。因水淺沒有成功，為蒙古軍俘獲，之後被殺。而前來增援的宋軍雖然到了山東，但因為不敢冒進而還。
再看阿里不哥。起初，攻打阿魯忽的阿里不哥兵敗，大將哈刺不花戰死，隨後，趁著阿魯忽輕敵，阿里不哥大敗阿魯忽，佔據了察合台汗國的都城阿力麻里。阿魯忽先是逃到兀丹（今新疆和田），後敗走至撒馬爾干（今烏茲別克撒馬爾罕）。
阿里不哥雖然取得了勝利，但他肆無忌憚地殺死阿魯忽部眾、戕害凌辱蒙古同胞的暴虐之舉，引起了其手下大臣和軍士的憤怒，他們紛紛找藉口離開他，如旭烈兀的兒子主木忽兒、蒙哥的兒子昔里吉都選擇了離開。
1264年，阿力麻里發生了饑荒，死者無計，但阿里不哥並不作為，反而繼續尋歡作樂。一天他正在縱情飲酒時，大帳突然被一陣狂風撕破，支柱被折斷，造成多人受傷，人們將這視為不祥之兆。自此軍心越加渙散，更多人離去。
此時，眾叛親離的阿里不哥不僅面臨著缺糧的危機，還要擔心阿魯忽捲土重來。於是他派人將阿魯忽的妃子送還給阿魯忽，尋求和解。
又過了一段時間，實在支撐不下去的阿里不哥帶著殘兵敗將歸降於忽必烈。長達四年多的汗位之爭至此結束。
史載，阿里不哥進大帳覲見忽必烈前，依照蒙古習俗，人以帳簾覆其首，跪拜請罪。進入大帳後，忽必烈看著他先是無語，見阿里不哥哭，自己也哭了起來。過了一會兒，忽必烈問道：「若照常理而言，你我兄弟二人究竟誰應該繼承大位？」阿里不哥答道：「昔日應該是我，今日是你。」阿里不哥的意思是因為蒙古有幼子繼承家庭財產的習慣，因此認為大汗之位也應該由他來繼承，所以他爭汗位並沒有錯，但實際上，並沒有幼子繼承汗位這一說法，而且他們的父親拖雷也不曾繼承汗位。是以不論從長幼有序還是才智這方面而言，忽必烈繼承汗位更名正言順。
由於阿里不哥、阿速台等諸王都是成吉思汗的後裔，屬於黃金家族成員，忽必烈沒有問罪於他們，而是將其釋放，並告知了旭烈兀、別兒哥等諸王，得到了他們的認同。不過，阿里不哥身邊的一些謀臣被處死。1266年，憂鬱成疾的阿里不哥去世。◇（待續）
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