1259年春，蒙哥率军攻打合州(四川合川)，宋合州守将王坚凭钓鱼城坚守，蒙军连续进攻数月不能破，天气炎热，军中疾疫流行。蒙哥亲自领兵到城下猛攻，为矢石所中，蒙军败退，蒙哥不久死去。此时忽必烈正在湖北作战，得知蒙哥死讯，马上渡江包围了鄂州。

　　这时，忽必烈妻弘吉刺氏自开平遣使臣来，密报阿里不哥在漠北图谋继承汗位。忽必烈在军前召集他的将领、幕僚商议。郝经说：“大王虽然素有人望，且握重兵，但是不知道海陵王的故事么?倘若他(指阿里不哥)自称受遗诏，便正位号，下诏中原，大王要回去还能行吗?”郝经建议：“断然班师，亟定大计，销祸于未然。”廉希宪说：“殿下太祖嫡孙，而且收召才杰，悉从人望，率土归心。愿速还京，正大位以安天下。”忽必烈命廉希宪先行，观察事变。又命他前往赐宗王塔察儿饮膳，乘机提出拥立忽必烈的建议。塔察儿赞同此议，愿首倡推戴。

　　1259年底，忽必烈许宋议和，自己轻车简从北返，驻燕京近郊。1260年3月，他返回开平，召集塔察儿等宗王大将，即在开平举行选汗大会。忽必烈弟末哥、东道诸王塔察儿、移相哥(哈撒儿之子)、忽刺忽儿(成吉思汗弟哈赤温子)、爪都(成吉思汗弟别里古台孙)，西道诸王合丹(窝阔台子)、阿只吉(察合台子)等拥立忽必烈(元世祖)即汗位。

　　按照蒙古传统惯例，选汗的忽里勒台应在鄂嫩河、克鲁伦河之地举行，而且必须有各系宗王参加。忽必烈在汉地自行集会选汗，显然与传统不合，而且有些宗王未前来出席。这时，阿里不哥留守和林大斡耳朵，蒙哥死后监国。忽必烈自立为汗后，阿里不哥利用这一时机，也随即在和林举行大会。蒙哥诸子阿速台、玉龙答失及察合台系宗王数人，拥立阿里不哥为汗。两汗并立，随即发生战争。

　　蒙古国军队的主力，原由蒙哥统率侵宋。蒙哥死后，大将哈刺不花率部退据六盘山，与留守这里的浑都海部会合。阿里不哥派出霍鲁怀、刘太平等来陕西，拘收钱谷，企图与六盘山驻军联合，自关中进兵。廉希宪、商挺等来京兆，先发制人。6月，以谋反罪处死霍鲁怀、刘太平，并处死浑都海在四川的党羽乞带不花、明里火者。忽必烈诏令陕西四川宣抚使八春节制诸军，命巩昌权总帅汪良臣统率陕西汉军防御六盘山的军队。

　　忽必烈亲率大军自开平出发去和林，攻打阿里不哥。9月，至转都儿哥之地。阿里不哥派遣阿蓝答儿领兵南下，至西凉府，与浑都海军会合东来，哈刺不花因意见不和引兵北去。忽必烈命诸王合丹、合必赤与八春、汪良臣等率领蒙、汉军迎战。两军大战于删丹，阿里不哥军溃败。阿蓝答儿、浑都海相继被杀。阿里不哥败逃，退至乞儿吉思地，派遣使者与忽必烈相约，邀集西北诸王正式选汗。忽必烈命宗王移相哥统领一军国驻和林，以待阿里不哥。10月，忽必烈领兵南返，12月至燕京，赏赐拥立诸王。1261年2月，返回开平。

　　1261年秋，阿里不哥率领斡亦刺等部众，突然袭击移相哥军，乘胜南下。忽必烈得警，急忙征调张柔、严忠嗣、张宏等七处汉军，并令董文炳率射手千人，塔察儿率军士万人随从出征。11月，忽必烈军与阿里不哥战于昔木上脑儿。诸王合丹、驸马腊真、丞相缐真和兀鲁、忙兀二部军为右军;诸王塔察儿、太丑台和史天泽等将左军;诸王哈必赤将中军，合势进攻，斩阿里不哥的大将合丹火儿赤。塔察儿与合必赤分兵奋战，大破斡亦刺军。阿里不哥后军阿速台复至，再战，两军杀伤相当。阿里不哥北撤，忽必烈也还军。

　　察合台汗领地(兀鲁思)原由兀鲁忽乃妃子摄政。忽必烈即位后，即派遣察合台曾孙阿必失哈偕弟纳邻合丹去阿力麻里主持政事。二王行至途中被阿里不哥捕获。阿里不哥乃派察合台孙阿鲁忽(拜答儿子)去察合台汗地执政，以为声援，并防御在波斯的旭烈兀。阿里不哥远在漠北，从汉地北运的粮食断绝，给养缺乏，便派遣使者去察合台汗领地征敛。阿鲁忽杀使者，转而拥护忽必烈。