忽必烈先发制人，在漠南抢先即位，这完全打乱了阿里不哥的预谋。他只得于1260年夏季，在驻夏据地阿勒泰山中匆匆召集留守漠北份地的诸王宗戚，举行大会，并在会上被拥立为大汗。出席本次大会的有察合台子哈剌旭烈的寡妻兀鲁忽乃妃子、察合台孙阿鲁忽、窝阔台孙覩尔赤（合丹子）、海都（合失子）、术赤孙忽里迷失和合剌察儿、蒙哥子阿速台和玉龙答失、塔察儿子乃马台、别勒古台之子等。这样就出现了两大汗相抗衡的局面。但是比较影响力的东道诸王却很少站在阿里不哥一方，但他从西道诸王那里获得的支持，又要多于忽必烈。
而成吉思汗直系各支宗王，一直比较认同阿里不哥才真正代表了蒙古大汗的系统。各支宗王的政治态度对忽必烈颇为不利。为改变此种局面，忽必烈先派支持自己的察合台后王阿必失哈（阿只吉长兄）急驰西北，企图用他控制察合台兀鲁思的政局，使之与中原汉地势力为犄角，钳制漠北。阿必失哈一行在途经河西时被阿里不哥的军队截留，察合台兀鲁思落入阿里不哥派去的阿鲁忽之手。不久，阿鲁忽和旭烈兀渐与阿里不哥生隙。忽必烈抓住时机，以明确承认二者在各自势力范围内的既有权益为条件，争取他们对自己的支持。他宣布，自阿姆河西至马木鲁克疆界的塔吉克地面当归旭烈兀统治守卫，自阿勒泰山至阿姆河之地则由阿鲁忽镇守。至此，除术赤后王早已分治于钦察草原之外，突厥斯坦西部及河中地区、波斯和呼罗珊也正式从大汗直接领有的国土中分立出来，成为中央汗廷的守藩之国。建国次年，忽必烈与西道诸王的关系基本和解，遂使他得以全力对付阿里不哥。
阿里不哥和忽必烈首先展开了争夺地域的斗争。初期，双方争夺的中心区域是开平至燕京一带以及秦、陇、蜀地区。阿里不哥派脱里赤在漠南诸州征集军队，敛集财物，企图抢先把开平至燕京一带窃为己有，并断绝忽必烈的归路。忽必烈回师燕地后，察其心怀叵测，便解散了脱里赤征集的军队，从而使阿里不哥对开平的威胁得以解除。秦、蜀、陇地区的情况则比较复杂。散处秦、蜀的征南诸军，有的支持阿里不哥，有的支持忽必烈，有的则介于两者之间，坐山观虎斗。阿里不哥在这里虽有较强的军事力量，但没有一个明确的军事计划。
为了夺得这一地区，忽必烈采纳了廉希宪的建议，在鄂州回师的时候，他就派赵良弼前往关右了解情况，接着又命廉希宪等为陕西、四川等路宣抚使，经略这一地区。廉希宪至京兆后，见机行事。他依靠汪惟正、刘黑马、汪惟良、八春等人的军事力量，迅速捕杀了霍鲁怀、刘太平、蜜里火者、乞带不花，同时命汪惟良等率秦、巩诸军向六盘进军，以防浑都海东来。这样，忽必烈在秦、蜀、陇地区的力量逐步得到加强。
1260年秋，阿里不哥兵分两路，大举南下。东路军由旭烈兀子药木忽儿、术赤后王合剌察儿统率，自和林逾漠南进。西路军由阿兰答儿统领，直指六盘山，意在接应从四川前线退屯该地的蒙哥攻宋主力。这支军队在蒙哥死后曾归阿速台节制，阿速台投奔漠北后，一直控制在阿里不哥的大将浑都海和哈剌不华手里。阿里不哥的左路军以宗王为帅，而且直接威胁汉地政治经济中心燕京，因此忽必烈亲自领军逆之，而以移相哥、纳邻合丹（当为合赤温孙）为其前部。移相哥军击溃药木忽儿和合剌察儿，阿里不哥难以继续立足和林，匆匆退到由他继承的拖雷分地吉里吉思。忽必烈大概是循帖里干道，顺利进至和林。其时约在当年初冬。当时和林城的残破或许相当严重，所以到达不久，忽必烈便南至汪吉河（今翁金河）冬营地，以为短期休整。阿里不哥生恐忽必烈乘胜追击，乃遣使假意求宥，并称待马力稍复，再赴阙谢罪。忽必烈深以汉地政局为念，遂留移相哥镇漠北，自己冒严寒逾漠南返。
南指六盘山的西路军虽为偏师，但它牵动川蜀关陕，使那里本已化险为夷的形势又紧张起来。原来早在廉希宪受命宣抚京兆、四川时，屯兵观望于六盘山的浑都海就企图联络阿里不哥遣往关中的刘太平、霍鲁怀及川蜀军中亲阿里不哥的将领发难。廉希宪当机立断，捕杀刘太平、霍鲁怀，以处于弱势的秦、巩世侯汪家的军队拒阻浑都海，“但张声势，使不得东”。浑都海果然中计，“闻京兆有备，遂西渡河，趋甘州”，采取了“重装北归，以应和林”的下策。关陕之危竟得安然解脱。可是当阿兰答儿提兵与北归途中的浑都海会师之后，这支军队重又折返东向，并派人约结陇蜀诸将，一时“人心危疑”，朝士至有捐弃两川、退守兴元之议。两军兵锋初接，朝廷方面又先失利，遂愈使“河右大震”。这时候，忽必烈增派的诸王合丹（窝阔台子）、哈必赤（合撒儿子）等率师与汪惟良、八春等，“合兵复战西凉，大败之，俘斩略尽”。阿兰答儿、浑都海被擒杀。关陇遂安。
宋景定元年（1260年）五六月间，忽必烈不断调兵遣将，筹集粮草，积极备战。七月，准备工作大体完成，忽必烈便“自将讨阿里不哥”。九月，阿兰答儿率军从和林南下，与浑都海的军队会合。忽必烈方面的诸王合丹也率领骑兵与汪良臣、八春的军队会合，于是分兵三路进行抵抗。双方在甘州东面山丹附近的耀碑谷展开了一次激战。“既阵，大风吹沙，良臣令军士下马，以短兵突其左，绕出阵后，从右边直打到前面，合丹勒精骑邀其归路，大战于甘州东，杀阿兰答儿、浑都海。”结果，忽必烈的军队大获全胜。
中统元年冬，忽必烈决定亲自进军和林。阿里不哥自知敌不过忽必烈，逃至谦州（今叶尼塞河上游南），忽必烈命宗王移相哥留驻和林，自己返回开平。阿里不哥以自己的封地谦州和按台山（今阿尔泰山东南）为根据地，到处骚扰，并控制了窝阔台和察合台后裔的封地。忽必烈即位后，曾派阿必失哈及其弟哈萨儿前往察合台封地管理当地事务，但阿里不哥的支持者在途中拘留了他俩。阿里不哥另派阿鲁忽前往，守住其东境以抗击忽必烈军，守住阿姆河以防别儿哥、旭烈兀军前来相助忽必烈。阿鲁忽至阿力麻里后，根据阿里不哥旨意夺取了兀鲁忽乃（察合台长孙哈剌烈之妻）的权力，并把术赤系势力逐出河中地区，控制了察合台系的全部封地。这时，他已拥有十五万骑兵，遂不愿听从阿里不哥的指挥。不久，阿里不哥遣使者来征牲畜、士兵和钱物，阿鲁忽扣留了他们征集的物资并杀其使者，宣布归附忽必烈。忽必烈命他管理从按台山直到阿姆河的兀鲁思和诸部。
中统二年二月，诏命燕京行省及各路宣抚使北上开平，会议军国大政。三月末，燕京省官毕集开平。本年夏季，除检核钱谷、充实省部、擢用辅弼外，朝廷还为中央和地方官府制定了若干具体的行政条款，行政中枢既经调整扩充，更明确地分为两个班子，以史天泽、张文谦等人留中，王文统、廉希宪等行省事于燕。秋，又置大司农官，并置十道劝农使司，“为之使者，皆取于故国老人、君子长者，亲行田里，谕以安辑，教之树艺”。
溃败远遁的阿里不哥，歇息于吉利吉思；至1261年秋天，元气稍有恢复，又举兵东来。他事先遣使向移相哥伪称率众来归，使移相哥疏于防备，因而突袭成功。移相哥大军溃散，和林城再次失守。十月，忽必烈率诸路汉军与蒙古诸王所部再度北征。两军相遇于昔木土脑儿之西，阿里不哥先因所部外剌军队溃败撤兵。待阿速台率领的后继部队赶到，阿里不哥回军再战。其右翼被击败，左、中两翼与忽必烈军鏖战至夜仍不分胜负。自是双方引军后退，相峙于大碛南缘。是年冬末，忽必烈师还，“诏撤所在戍兵，放民间新签军”（《元史·世祖纪一》）。形势似乎缓和下来。1262年，据守和林的阿里不哥因粮饷不继，而由他派往察合台兀鲁思的阿鲁忽又拒绝听命，截留他征集的货物，因此愤而移兵西讨阿鲁忽。阿里不哥自知一旦挥兵西指，和林终将不守，所以临行指令和林城诸长老，许其举城归降忽必烈军。阿里不哥西徙后，忽必烈所部果然不战而收复和林。
1262年冬，阿里不哥在击败阿鲁忽后驻营于阿力麻里。他肆行杀掠，伊犁河流域为之残破不堪。1264年春，阿力麻里大饥，军心愈亦涣散。阿里不哥计出无奈，被迫向忽必烈输诚。长达五年的汗位纠纷由此结束。这次纷争，客观上为蒙古军事贵族中主张“祖述变通”以“补偏救弊”的一派把统治中心从碛北移至漠南，从而更加便利于他们采纳汉法，加强对中原的统治，提供了一个适逢其时的契机。
忽必烈夺取汗位的胜利，从本质上来说是蒙古统治集团内部“汉法”派战胜了守旧派，这对于蒙古国最后完成封建化来说是有决定意义的。同时也说明了历史的规律是不可抗拒的，阿里不哥那样坚持维护旧的统治方式，失败是注定了的；而忽必烈能够顺应历史发展，适应汉族地区生产力发展的需要，采用原有的封建统治方式，因而在历史上作出了自己的贡献。
在经济方面，忽必烈更占有绝对优势，而阿里不哥的吉利吉思根据地，条件十分恶劣，经济上一直陷于困境。忽必烈推行了一套比较成功的民族政策，调和了蒙汉上层利益，而阿里不哥仍坚持草原贵族那种落后的政治经济方式，他根本没有意识到获得汉族地主阶级支持的重要意义。在个人素质方面，忽必烈政治斗争与军事斗争经验相当丰富，而阿里不哥既缺乏政治斗争经验，也不懂用兵，因而避免不了失败的命运。
忽必烈对阿里不哥的胜利有着重大的历史意义。由于这一胜利，忽必烈巩固了在中原地区的统治，重新确立起被破坏的封建秩序，使北方的农业生产逐步得到恢复和发展，这就为进一步统一全国奠定了基础。