十六年（1279），脱黑帖木儿领兵南下，袭击杭海岭东。元军主帅别吉里迷失采纳刘国杰的建议，趁其“全军而来，巢穴空虚”，直捣谦河。大军迅速占领谦谦州，追其部众至乌斯。脱黑帖木儿慌忙回军，大败于谦河。元军“俘获生口畜牧万计”。次年春，叛军再次东犯，又被击败。十八年（1281），叛军内乱。脱黑帖木儿屡被元政府军击败，求援于昔里吉，后者不应。脱黑帖木儿怨恨昔里吉，于是他又以帝位煽惑蒙哥的孙子撒里蛮（蒙哥子玉龙答失之子），玉木忽儿不从，遭到脱黑帖木儿的征讨。双方交战之际，脱黑帖木儿的军队倒戈投奔玉木忽儿，他本人则被玉木忽儿的军队俘虏，交到昔里吉处，被杀。撒里蛮也不得不投奔昔里吉。昔里吉将他送往术赤后王火你赤处。当他们途经撒里蛮封地时，被撒里蛮的部众劫获，并把护送他的人抓了起来。撒里蛮带着自己的军队拦截了昔里吉的辎重队，并命令将辎重送往大汗处。昔里吉率军前来攻打撒里蛮，他的军队却投奔了撒里蛮，昔里吉被撒里蛮所俘。玉木忽儿得知这一情况后，又调集军队与撒里蛮作战，他的军队也同样倒戈投降，玉木忽儿又作了撒里蛮的俘虏。于是，撒里蛮率领着自己的军队和俘获的叛王前去投奔大汗。途中，玉木忽儿以大量珍宝向斡惕赤斤后王行贿，得以中途逃脱。昔里吉则在撒里蛮之前到达，大汗没有接见他，而是将他流放到一个气候恶劣的海岛，后来，他便死在那里。撒里蛮则受到了礼遇，大汗赐给了他土地和军队，但不久他也死去了。后来，玉木忽儿投奔了术赤后王火你赤，灭里帖木儿投靠了海都⑧。
古代风景画鉴赏昔里吉等的叛乱打乱了元朝的平叛部署，破坏了元朝在西北地区的控制、经营。使海都得以乘机休养生息和扩充实力。于是，他打回了阿力麻里，并不时骚扰天山南北。为了遏制海都势力的东进，忽必烈不得不调整部署。至元十五年，他以虎符授八撒察里，命他掌别失八里畏吾城子里军站事，以朵鲁只佩金符掌彰八里军站事。十六年，四川西道宣慰使、副都元帅刘恩进位都元帅，率蒙古、汉军戍守斡端，置屯、田于甘州。十七年，遣阿老瓦丁率兵戍守斡端，命万户綦公直戍守别失八里，置镇北庭都护府；在火州置交钞提举司。十八年綦公直进驻别失八里，刘恩进兵斡端，元朝在西北的兵力增至十多万。以宗王阿只吉节制。又从阿只吉之请，自太和岭至别失八里置新站三十，以利于军情的传达和物资转运、供应。刘恩在斡端先败海都将领玉论亦撒所率万人，海都遣八把率众三万赴援。刘恩以寡不敌众撒军。
十九年（1282），海都得知元军已平定昔里吉之乱，乃遣那木罕等回，一方面谋求和解，一方面继续进兵斡端等地。
二十二年（1285），都哇率兵十二万围火州。声言：“阿只吉、奥鲁只诸王以三十万之众，犹不能抗我而自溃，尔敢以孤城当吾锋乎？”高昌亦都护火赤哈儿的斤率众固守。叛军围城半年之久，城中粮将尽，都哇所部也师老兵疲。于是都哇射书入城，要求亦都护纳女讲和。他说：“我亦太祖皇帝诸孙，何以不附我？且尔祖尝尚公主矣。尔能以女与我，我则休兵；不然则急攻尔。”亦都护不得已忍痛将爱女送给都哇，叛军解围去。亦都护还镇火州，驻于哈密力之地⑨。
二十三年，海都再次发动攻势，綦公直率军迎击于马纳思河（今玛纳斯河），追击浸远，援军不继。海都设伏于洪水山（今新疆呼图壁县西南），元军中计，公直与别失八里屯田军总管、怀远大将军李进被俘，公直第五子瑷战死。李进从叛军行至掺八里（即彰八里，今新疆昌吉），遁还至和州（火州，今新疆吐鲁番东南），收散卒三百人，且战且行，还至京师。海都乘胜再至火州，进攻哈密力，亦都护大战，力尽而死。同年，忽必烈以伯颜代阿只吉总兵，以皇孙铁穆耳抚军，在别失八里置元帅府，遣侍卫新附军屯田戍守。
西北藩王和李璮的叛乱，使忽必烈痛感地方势力的发展对中央政权威胁之甚。于是，他在平叛的同时也加强了对东道诸王的控制。这就又促成了东道诸王的叛乱。
至元二十四年（1287）三月，翰惕赤斤的后裔乃颜首先发动叛乱，并与海都早有往还。海都拟率军前来会合，形势顿趋严峻。忽必烈仍以伯颜驻守和林，割断海都与乃颜的联系，阻止海都东来，自己则率军亲征乃颜。
他遣博罗欢总探马赤军，调集忙兀、兀鲁、扎剌亦儿、弘吉刺、亦乞烈恩五投下部众先行。以玉昔帖木儿、李庭分统汉军扈从北征。
海都、都哇利用东道诸王叛乱的有利时机，也加紧了军事进犯。二十五年（1288），海都犯边，元派驸马昌吉，诸王也只列（也只里），察乞、合丹两千户，皆发兵从诸王出伯（术伯）北征。
二十六年（1289），晋王甘麻剌、大将土土哈与海都军战于杭海岭。“敌先据险，诸军失利”，甘麻刺陷入重围。“土土哈以其军直前鏖战，翼晋王以出。”海都乘胜北上，再次占领和林。和林为漠北重镇，屯粮所在，掌钱谷出纳的和林宣慰使怯伯、同知乃蛮带、副使八黑铁儿投叛，元朝政府军有遭到东西叛军联合围攻的危险，形势更加危急，七十四岁的老皇帝忽必烈再次亲征。他调集安童、伯颜、玉昔帖木儿、李庭等各路蒙古、汉军扈从。七月，忽必烈出师，海都闻讯远遁。元军收复和林，仍以伯颜居守。
二十九年（1292）秋，海都指使明理铁木儿犯边，伯颜奉命往讨。两军相遇于阿撒忽秃岭，“矢下如雨，众军莫敢登。伯颜令之曰：‘汝寒君衣之，汝饥君食之，正欲效力于此时尔。于此不勉，将何以报！’麾诸军进，后者斩，伯颜先登陷阵，诸军望风争奋，大破之。”时明理帖木儿败走，伯颜以轻骑追击，斩首二千余级，俘其众以归。
伯颜久在军旅，历经战阵，知己知彼，恩威并济，有丰富的指挥经验。他对海都等叛军，采取固守防御为主，征进与招抚兼施的策略。战术上以逸待劳，不轻易出击。使叛军在数次出击，长途行军中消耗有生力量，然后一举平定。当时，海都在多次骚扰边境，长途奔袭之后，其势已如强弩之末，力量消耗殆尽，平叛的胜利指日可待。但军中将领不能完全理解他的意图，朝中又有人以“因仍保守”弹劾他，忽必烈本人也急于取得平叛的胜利。于是，至元二十九年，朝廷决定以玉昔帖木儿代伯颜。玉昔帖木儿前来接仁之际，恰值海都再次犯边。伯颜欲为朝廷除此大患，遂对玉昔帖木儿说：“公姑止，待我翦此寇而来，未晚也。”伯颜领兵出战，“与海都兵交，且战且退，凡七日，诸将以为怯，愤曰：‘果惧战，何不授军于大夫！’伯颜曰：‘海都悬军涉吾地，邀之则遁，诱其深入，一战可擒也。诸军必欲速战，若失海都，谁任其咎？’诸将曰：‘请任之。’即还军击败之，海都果脱去。”这次失机，又使海都得以自立数年。
玉昔帖木儿代伯颜后，元军展开了大规模攻势。当年秋，土土哈略地金山，获海都属户三千余，迁至和林。又向吉利吉思进兵。次年（至元三十年，1293）“师次谦河，冰行数日。始至其境，尽收其五部之众，屯田守之。”海都派兵来争，又被击败。到忽必烈去世时，海都的势力已被逐出按台山（即金山，今阿尔泰山）之外，实力也已大大削弱，与西北诸叛王的斗争已经取得了决定性胜利。但是，与分裂势力斗争多年的忽必烈还是没有看到平叛斗争的最后胜利。
成宗即位后，仍以大将土土哈率军居守，宁远王阔阔出（忽必烈子）抚军。旷日持久的战争不仅消耗了海都的军力，而且使部众、将领产生了厌战情绪，叛军内部再次发生分化，从海都叛者相继来归。元贞二年（1296），诸王药木忽儿也脱离海都，由土土哈陪同入朝。大德元年（1297），土土哈死，其子床兀儿袭父职继续领兵驻守漠北。床兀儿率军逾金山攻八邻之地，与海都将帖良台战于答鲁忽河，“帖良台阻水而军，伐木栅岸以自庇；士皆下马跪坐，持弓矢以待我军，矢不能及，马不能进。床兀儿命吹铜角，举军大呼，声震林野。其众不知所为，争起就马。于是麾军毕渡，涌水拍岸，木栅漂散，因奋师驰击，追奔五十里，尽得其人马庐帐。”回军，又与海都所遣援军孛伯遇，战于阿雷河。“河上有高山，孛伯阵于山上，马不利下驰。床兀儿麾军渡河蹙之，其马多颠踬，急击败之，追奔三十里，孛伯仅以身免。”二年，床兀儿又败都哇军于火儿哈秃之地。
连续大胜使诸王将领产生了骄傲轻敌情绪。大德二年秋，诸王将帅商议防边时，都认为“往岁敌无冬至之警，宜各休兵境上”。汪古部驸马、高唐王阔里吉思主张严兵以待，他说：“今秋候骑来者甚寡，所谓鸷鸟将击，必匿其形，兵备不可弛也。”这年冬天，叛军果然大规模进犯。阔里吉思以所部兵迎击，三战三克，乘胜逐北，深入险境，而后援不至，为叛军所俘，不屈而死。这是一次沉痛的教训，也是自那木罕被劫持后，元军最大的败仗之一。成宗使皇侄海山于军中代阔阔出总兵。四年，海山败海都军于阔别列之地。乃蛮带部落降。五年（1301），博尔忽之子太师月赤察儿奉命督师。海都大举犯边，元军分为五队，分别与海都战于迭怯里古（帖坚古、铁坚古山）、合剌合塔等地。月赤察儿自将一军，“被甲持矛，身先陷阵，一军随之，五军合击”，叛军大败。海都、都哇负伤退兵，海都死，将窝阔台汗国的事务托付给都哇。在都哇的主持下，海都长子察八儿掌管了窝阔台汗国。察八儿是一个瘦弱多病的人，他的继立，引起了海都诸子女间的不和，窝阔台汗国的势力进一步削弱。
大德七年（1303），都哇、察八儿、明理帖木儿相聚谋曰：“昔我太祖艰难以成帝业，奄有天下，我子孙乃弗克靖恭，以安享其成，连年构兵，以相残杀，是自隳祖宗之业也。今抚军镇边者，皆吾世祖之嫡孙，吾与谁争也？……不若遣使请命罢兵，通一家之好，使吾士民老者得以养，少者得以长，伤残疲惫者得以休息，则亦无负太祖所望于我子孙者矣。”
不久，都哇请降，月赤察儿不待奏闻，先遣使许其和，叛乱者逐渐来归。时明里铁木儿屯金山，十年（1306）冬，山领兵逾金山出击，月赤察儿以诸军继往，压之以威，啖之以利，明里铁木儿降。月赤察儿遣将至其部，尽收其部落。并乘胜掩击察八儿部落，俘两部人口十余万。
武宗至大元年（1308），都哇已死，月赤察儿遣使至朝，奏请安抚都哇子、察合台后王宽彻，以离间察八儿与察合台后王可能再结的联盟，使宽彻倾心朝廷；并请处诸降人于金山之阳，大军屯金山之北，即使降人有足够的牧地，又可解决军粮供给问题，加强讨叛的力量，得旨允准。后来，在元军的强大攻势下，察八儿、秃苦灭等叛王果然投奔宽彻，后者不纳，不得已向朝廷请降。历时四十余年的西北诸王叛乱终于平定。
注释
①《史集》第二卷第一部分《记窝阔台的子孙》；《元史·地理六》。
②《元史·铁连传》：至元初，宗王海都叛，廷议欲伐之，世祖曰：“朕以宗室之情，惟当怀之以德，其择谨密足任大事者往使焉。”左右以铁连对，遂召见，语及大事。铁连应对称旨。帝嘉其辩慧，曰：“此事非汝不可，然必先诣拔都铁木王所，相与计事而后行。”使二人副之。
③《元史·铁连传》。
④尼克拜又做尼克别、捏古伯，是察合台第四子撒儿班的儿子；不花帖木儿是察合台第七子合答海（合答黑、合答黑赤、合丹）的儿子，他们都是八剌的堂叔。
⑤《元史·地理六》。
⑥《史集》第二卷《成吉思汗之子拖雷汗之子忽必烈合罕纪》。
⑦《元史·土土哈传》。
⑧《史集》第二卷《成吉思汗之子拖雷汗之子忽必烈合罕纪》。
⑨《元史·巴尔术阿尔忒的斤传》。
⑩《元史·李进传》、《綦公直传》。
《元史·土土哈传》。
《元史·伯颜传》。
《元史·土土哈传》。
《元史·阿剌兀思剔吉忽里传》。
《元史·博尔忽传》。