蒙哥汗1259年在南征時的猝然去世，對於南宋而言是獲得了短暫的喘息時間。因為彼時兀良哈台已從南邊攻打廣西南寧、桂林，劍指潭州（今長沙），忽必烈則圍攻湖北鄂州（今武昌），蒙哥則在四川一路高奏凱歌，南宋已處於北、西、南三面同時面臨進攻的局面。南宋朝廷極為恐慌，當時的丞相丁大全隱匿戰情，引發不滿，宋理宗將其罷免，並急拜賈似道為右丞相兼樞密使，率軍前往鄂州迎敵。
當賈似道看到蒙古大軍兵強將勇，以為鄂州難以守住，就背著朝廷，偷偷派人去與忽必烈求和。其後，身為江淮荊湖經略使的趙璧在三千兵卒護送下，進入鄂州城與南宋官員議和。賈似道卻藉口有足疾不肯出見，乃約再議而還。
蒙哥汗去世後，西、南兩路軍撤離，護送蒙哥靈柩北返，而在北邊的忽必烈在獲知元睿宗拖雷的第九子末哥送來的蒙哥的死訊並請他北歸參與忽里勒台大會以爭取汗位繼承權後，最初認為自己是奉命南征，「豈可無功而返」。於是依舊下令發起進攻，多次獲勝，但在攻打鄂州時卻受阻。在鄂州之戰中，宋蒙兩軍展開數月激烈戰鬥，雙方「死亡枕籍（意思是死者縱橫相枕而臥）」。
在戰事膠著的情況下，忽必烈的正妻察必又派人將開平的周邊動向告知忽必烈，催他北還。忽必烈於是召諸將和謀士商議。
郝經上《班師議》，陳述必須立即退兵的理由。理由有五：
一、此次南征本不應該。蒙古帝國自平金以來，只務進取，不蓄精養銳以待時機，以致用兵日久，費財巨大，且終無成效。蒙哥汗即位後，本應休養生息，但卻忽然大舉用兵。如今蒙哥汗駕崩，理應與宋議和，回歸京師，處理皇位繼承大事，若仍舊進軍，這是不當進而速進。
二、滅宋時機還不到。如果達不到滅宋目的，則應知難而退，否則徘徊於江邊，耽誤時日，暴露出蒙軍的弱點。等到冬春之交，一旦瘟疫流行，那時恐怕想回師也不可能了。
三、宋朝知蒙古國內政局不穩，因此鬥志倍增，其積極備戰，大軍雲集，且還有良將。
四、忽必烈也有北歸之意。渡江又不想直趨臨安，認為「臨安人口稠密，若至臨安，雖不殺人，人民也受踐踏，於心不忍。若天與我，不必殺人；若天不與，殺人何益」。然為今事急，不可不做決斷。
五、蒙古國內局勢緊張，塔察兒國王和李璮還有興兵作亂的可能。忽必烈雖素有重望，且握重兵，但若阿里不哥聲稱受先帝遺詔，登基正位，下詔中原，行赦江北，那時再欲歸京師而不可能了。
郝經還建議派遣一路人馬迎接蒙哥大汗的靈柩，收取大汗玉璽，再遣使召集旭烈兀、阿里不哥、末哥及諸王在和林治喪。
此外，廉希憲也力勸忽必烈立即還朝繼承汗位，以安天下。他還分析了當下的形勢，並親自前去說服諸王之一的塔察兒擁立忽必烈即汗位。塔察兒是成吉思汗弟弟鐵木哥斡赤斤的兒子，在東道諸王中具有舉足輕重的地位。
郝經和廉希憲的分析讓忽必烈更加看清了形勢，堅定了忽必烈退兵北返的決心。不過，在暗中準備北撤時，忽必烈卻擺出重兵南下直取南宋都城臨安的架勢，賈似道馬上再派使者請和，表示南宋願意稱臣，並且答應送歲幣二十萬兩銀和絹二十萬匹，以長江作為兩個帝國的共同邊界線。這正中忽必烈下懷，他答應了和議條件，隨即撤兵北返，只留下張節、閻旺的一支五千人軍隊迎候圍攻長沙的兀良合台大軍。
聽說忽必烈派軍來迎，兀良合台大軍遂轉奔湖北，張節、閻旺在長江上設浮橋迎接，兩軍合兵北返。而賈似道再次違反約定，趁蒙古大軍撤退時進攻，殺死了殿後的一百多名蒙古軍人。賈似道故意把這場小規模進攻吹噓為巨大的勝利，卻不說蒙古軍撤退的真正原因。他在奏章中寫道：「諸路大捷，鄂圍始解，匯漢肅清。宗社危而復安，實萬世無疆之福。」宋理宗信以為真，不僅對他大加讚揚，還大加封賞。此後，賈似道專擅朝政十幾年。
開平即大汗位
忽必烈北返抵達燕京後，馬上解散了聽命阿里不哥的脫裡赤徵召的軍隊，「民心大悅」，並控制了開平至燕京一帶。駐紮在燕京近郊期間，忽必烈與諸王展開聯絡，商討在1260年春天召開忽里勒台大會。
1260年春三月，忽必烈來到開平府，召開了忽里勒台大會，末哥、哈丹、阿只吉、塔察兒、也先哥、忽剌忽兒等諸王四十多人偕文武大臣擁立忽必烈即汗位。三月二十四日（1260年5月5日）忽必烈即蒙古帝國大汗位。四月四日（公曆5月15日）發布繼位詔書。這一年忽必烈四十五歲。
即大汗位後，忽必烈命釋子聰（劉秉忠）等人制定官職及各種制度，確定在中央設中書省等部門，任命王文統為中書省平章政事、張文謙為左丞相，任命八春、廉希憲、商挺為陝西四川等路宣撫使，趙良弼參議司事，粘合南合、張啟元為西京等處宣撫使。還遣使與宋議和，詔令南伐諸軍北歸。
1260年（中統元年）五月十九日，忽必烈發布《中統建元詔》，正式建年號「中統」，而這也是仿照漢制。詔書中鼓勵大臣上諫言，即便建議不被採納也不會被怪罪，如被採納將予以獎勵，「以旌忠直」。對於死傷軍兵，要予以撫恤。針對被判死刑者，也要反覆審核。
隨即，忽必烈將漢地分為十道，又任命了十路宣撫司，其中金蓮川幕府的張德輝為平陽太原路宣撫使、姚樞為東平路宣撫使、張文謙為大名彰德等路宣撫使、廉希憲為京兆等路宣撫使、徐世隆為燕京副宣撫使。任命李璮為江淮大都督，立行中書省於燕京，行六部，禡禡（mà）為中書丞相，王文統、趙壁為平章政事，張易為參知政事，王鄂為翰林學士承旨兼修國史等等。在金蓮川幕府諸多人才的助力下，忽必烈統治的中原地區有條不紊地運作著。
初勝阿里不哥
在忽必烈即大汗位後，爭取到蒙哥汗皇后忽都台、蒙哥汗之子玉龍答失、阿速歹等蒙古諸王、貴族、大臣支持的阿里不哥，也匆忙於四月在和林召開另一個忽里勒台大會，宣布自己為新的蒙古大汗。一個帝國出現兩位大汗，無疑預示著分裂和戰爭。
為了不使蒙古帝國陷入混亂，忽必烈一面派使者西行，爭取旭烈兀和別兒哥的支持，一方面一再派出使者北行，希望說服阿里不哥。
阿里不哥不肯讓步，在雙方商議無果後，他將忽必烈派去的一百名使者和兩位宗王殺死，然後，派遣兩路大軍南下。東路由旭烈兀的兒子主木忽兒、朮赤的孫子合剌察兒率領，進軍開平、燕京等地。西路由阿藍答兒率領，進入河西走廊，意圖與駐紮在六盤山的蒙哥攻宋主力、現由大將渾都海與哈剌不花掌控的軍隊會合，同時聯絡京兆的劉太平、霍魯海等人，準備共同起事。
忽必烈聽聞阿里不哥出兵，除了大赦天下，還下詔說，同胞兄弟之間出現權力爭奪是他沒有想到的，考慮到弟弟年幼，應是被讒言蒙蔽至此，自己顧念父子兄弟之親、宗廟社稷之重，幾次遣使曉諭，但怎料反叛者不聽。因此重燃戰火絕非本意，內心深感不安。他並表示，待內亂平定，「式續成康之治」。
成康之治（約公元前1043年—約公元前996年）是指西周初周成王、周康王的治世。在那段時間裡，國泰民安，刑具四十年不需使用。忽必烈在詔書中做出如此承諾，亦表明其希望在自己治下迎來一個清明社會的雄心。
為了迎來一個清明的社會，忽必烈必須解決與阿里不哥的汗位之爭。顯然，在與阿里不哥的對決中，忽必烈在才智、胸襟、謀略、人員和糧草、財力等方面更勝一籌，而阿里不哥的視野相對狹隘。
早在忽必烈即汗位當天，他就任命了三名總管漢地財賦行政的負責官員，他們是趙璧、禡禡和董文炳。趙璧在蒙哥初年已經擔任過此職，所以得心應手，史書說他「經畫饋運，相繼不絕」；「手校簿書，得豪貴侵盜逋負錢數萬計，乘輿北征，民不擾而軍用足」。這說明他這個供給北邊用兵的後勤保障官非常稱職。
此外，早在北返途中，忽必烈在謀士的建議下，對於秦蜀隴地區可能遭到的進攻早有防範。其後，他委任的京兆宣撫使廉希憲和參議趙良弼到達關中後，很快穩定了形勢，先是捕殺了謀反的劉太平、霍魯海等人，隨後在與渾都海和阿藍答兒部的正面交鋒中，將二人殺死，阿里不哥企圖占據關中的計劃落空。
另一方面，忽必烈親率人馬迎擊阿里不哥的東路軍，並很快將其擊潰。阿里不哥難以繼續留在和林，只好退到由他繼承的拖雷封地吉裡吉思（今葉尼塞河中上游）。
1260年冬天，忽必烈順利進入和林。或許是因為和林城過於破敗，忽必烈並沒有在此停留過久，而是前往南邊的汪吉河（今翁金河）冬營地，進行短暫休整。
在與阿里不哥打仗的同時，忽必烈還儘量爭取更多的支持，尤其是旭烈兀、別兒哥和察合台汗國的支持。當時，西征的旭烈兀在東返途中得到忽必烈和阿里不哥爭位的消息，遂留在西亞，建立了伊兒汗國，忽必烈後封他為「伊兒汗」，視野開闊的他亦支持忽必烈繼承大汗位，而忽必烈則同意將阿母河以西至埃及邊境的波斯國土和該地蒙古、大食軍民交給他統治。
不過，欽察汗國的別兒哥一直保持中立，表示不介入這場汗位之爭。而察合台汗國的可汗、察合台的孫子哈剌旭烈與蒙哥親善，但他已去世，封地由其妻兀魯忽乃攝政，兀魯忽乃支持阿里不哥。由於忽必烈封鎖了察合台汗國與阿里不哥間的交通往來，兀魯忽乃無法為阿里不哥提供物資。
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，遂在吉裡吉思修整。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，占領和林。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、占領和林的消息後，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，占據了察合台汗國的都城阿力麻裡。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、蒙哥的兒子昔裡吉都選擇了離開。
1264年，阿力麻裡發生了饑荒，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。自此軍心愈加渙散，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。
參考資料：
《新元史》
《元史》
《忽必烈傳》
《忽必烈和他的世界帝國》
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（轉自大紀元/責任編輯：浩宇）