按成吉思汗的法律，这次仓卒的选举是非正式的。按传统，库里勒台应该在蒙古召开，会前应召集成吉思汗的四个兀鲁思的代表们出席。阿里不哥在蒙哥的丞相、克烈部聂思托里安、教徒学鲁合的支持下，也毫不踌躇地在和林悟取大汗称号。在汉地，控制着陕西和四川的蒙军将领们倾向于阿里不哥一边，但忽必烈不久就把这两个省的军队争取到他一边。忽必烈的副将们在甘州东部，在今天的甘肃境内，打败了阿里不哥军，这次胜利巩固了忽必烈在对蒙古统治下的大理、西夏、吐蕃、金朝、南宋的所有权。忽必烈把他的优势兵力向大蒙古汗国本土推进，他于1260年年底，在哈拉和林以南的翁金河畔度冬；而阿里不哥朝叶尼塞河上游撤退。接着忽必烈错误地设想战争已经结束，在和林留一支普通军队后，回到中国。
1261年年底，阿里不哥卷土重来，驱逐了这支驻军，并进军迎战忽必烈。在戈壁边境上打了两仗。第一仗忽必烈获胜，然而；他再次错误地没有追击阿里不哥，10天后鲁忽，阿里不哥曾帮助阿鲁忽从其堂兄妻、兀鲁忽乃手中夺得察合台兀鲁思。由于这一支持，阿里不哥的势力与忽必烈的势力相匹敌，直到将近1262年年底，阿鲁忽背弃阿里不哥投靠忽必烈。这一出人意料的背叛改变了形势。当忽必烈赶走了阿里不哥的人，重新占领和林时，阿里不哥被迫在伊犁河流域与阿鲁忽作战。阿里不哥被两军拑住，最后于1264年投降忽必烈。忽必烈为了笼络人心，没有杀他，但是，处死了阿里不哥的主要支持者，包括聂思托里安教丞相孛鲁合。为谨慎起见，他把阿里不哥作为重要俘虏囚禁起来，直到1266年阿里不哥去世。
趁着忽必烈和阿里不哥的内战，西北地区的钦察汗国、察合台汗国、窝阔台汗国纷纷宣布独立，此时常在西亚进行西征的旭烈兀也准备自帝一方，不论忽必烈还是阿里不哥都只得到一部分宗王支持，没有召开元太祖成吉思汗四子嫡系后裔参加的大忽里台，忽必烈不被广泛承认，于是，忽必烈将大汗在西亚的直辖地，也就是阿姆河以西直到埃及边境，封给旭烈兀换取旭烈兀的支持，旭烈兀建立伊儿汗国，其实旭烈兀留在西亚忽必烈也没办法，但忽必烈给了旭烈兀统治的合法性。忽必烈将大汗在中亚的直辖地，阿尔泰山以西直到阿姆河的农耕和城郭地区，封给察合台汗阿鲁忽换取阿鲁忽的支持。而钦察汗国早在元定宗贵由和元宪宗蒙哥统治时期已经取得实际上基本独立的地位。因为大蒙古国，也就是蒙古帝国的分裂，忽必烈实际管辖的政治版图仅止中原地区、东北地区，包括整个黑龙江流域、吐蕃地区，包括今青海、西藏等地、蒙古草原全境，西伯利亚南部地区以及今新疆东半部。
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