忽必烈战胜阿里不哥以后，蒙古宗王的反抗并没有因而终止。窝阔台后王海都、察合台后王笃哇联络蒙古宗王，一再在西北发动战乱。接着，成吉思汗诸弟的后王乃颜等也与海都相呼应，在东北起兵。在忽必烈统治时期，从西北到东北，蒙古诸王的战乱一直不断。直到武宗时才大体平服。

　　一、海都及昔里吉等之乱

　　一二五一年，蒙哥即汗位，镇压窝阔台后王的反抗。窝阔台之孙、合失之子海都被滴封于海押立。在忽必烈与阿里不哥的汗位争夺战中，海都是阿里不哥的支持者。阿里不哥归降后，海都与察合台后王数人仍拒不归命。而且，海都已在尤赤诸后王的支持下，据有叶密立一带原窝阔台、贵由的封地，成为窝阔台兀鲁思诸王的领袖。忽必烈多次厚加赏赐，并划蔡州为他的封地，以示优容。

　　一二六五年（至元二年）忽必烈派察合台曾孙八刺回察合台兀鲁思，以牵制海都。八刺自立为汗后，与海都争夺布哈拉城，兵败言和。

　　一二六九年（至元六年），海都、八刺及党附诸宗王在塔刺思河畔召开大会，分划河中地区的利权：三分之二归于八刺，余则分属海都与朮赤后王忙哥帖木儿。与会诸王宣誓保持游牧生活和蒙古传统的风俗制度，并派遣使臣去质问忽必烈说：“本朝旧俗与汉法异，今留汉地建都邑城廓，仪文制度遵用汉法，其故何如？”这就清楚地表明：海都等蒙古保守派贵族反对用“汉法”的政治立场。八刺自立，与海都联合后，对元朝的威胁更为严重了。

　　一二七一年（至元八年）忽必烈命皇子北平王那木罕率诸王镇守阿力麻里。次年，海都援立八刺子笃哇为察合台汗，骚扰天山南北诸地。至元十二年（一二七五年）正月，忽必烈下令追收海都、八刺金银符。笃哇、卜思巴等以兵十二万进围哈刺火州达六月之久，畏兀儿亦都护纳女求和（一说，事在二十二年）。忽必烈派右丞相安童辅佐那木罕同守北边。

　　一二七六年夏，随从那木罕北征的诸王昔里吉（蒙哥子）、明理铁木儿、玉木忽儿（阿里不哥子）、脱黑帖木儿等举行了叛乱。叛乱者奉昔里吉为主，拘系那木罕、捕送安童于海都处。但海部以“彼间水草丰美，可仍驻留”为辞，拒绝与昔里吉等合兵。昔里吉等于是劫持宗王撒里蛮（蒙哥孙），退据额尔齐斯河上，大掠乞儿吉思五部，杀谦谦州屯守万户怕八儿，东犯和林，掠走成吉思汗大帐。应昌弘吉刺部只儿斡带、六盘山霍虎起兵响应，漠南大震，居庸关以北为之告警。忽必烈抽调攻下临安的南征军主力北征。汉军都元帅阔阔带、李庭北逐撒里蛮，大将阿尤、重臣相威西戍别失八里，复命南征主帅伯颜率大军北征。伯颜、土土哈部在鄂尔浑河上大破昔里吉军，收复了和林。土土哈追击昔里吉，逾阿尔泰山。

　　此时，诸王内部又发生了争吵和分裂。脱黑帖木儿叛昔里吉，转奉撤里蛮为主，玉木忽儿不从。昔里吉杀脱黑帖木儿，并囚系撤里蛮送朮赤后王火你赤处。途中经过撒里蛮的领地，被撒里蛮的部众劫回。撒里蛮引军攻打昔里吉。昔里吉兵败，被俘。玉木忽儿引兵来战，又败。撤里蛮引众南下，在归降忽必烈途经斡赤斤封地时，又遭斡赤斤后王乃颜的袭击，撒里蛮单骑脱走，来见忽必烈。在伯颜大军的打击下，从叛诸王也无以自存，便在一二八三年归降忽必烈。次年，被拘囚的那木罕、安童获释回朝。

　　这时，海都仍占领蒙古草原西部及乞儿吉思的大部，遮断忽必烈与西方诸汗国的交通，构成西北方面的强大威胁。忽必烈在和林、哈刺火州一线，派出大量军兵驻守。一二八四年（至元二十一年）牙忽都、土土哈等曾击败海都军，但海都仍拥有强大的势力。

　　一二八五年（圭元二十二年）驻守西北的宗王阿只吉军被笃哇击败。忽必烈又命伯颜代阿只吉总领北边诸军镇守。

　　二、乃颜之乱

　　一二八七年（至元二十四年）四月，东北的宗王乃颜与胜纳合儿、哈丹（哈赤温后王）、失都儿（哈撒儿后王）、也不干（成吉思汗庶子阔列坚后王）等宗王起兵反元。乃颜是成吉思汗幼弟斡赤斤的后裔、有名的塔察儿国王之孙。在成吉思汗分封的东部诸王中，斡赤斤继承了母亲诃额伦的财产。在左手诸王中，土地、人民，以二十分计之，乃颜独得其九，其余忙兀、兀鲁、札刺儿、弘吉刺、亦乞烈思五投下共得十一。中统初元，塔察儿国王对忽必烈的支持在当时的政局中有着举足轻重的作用。忽必烈为了抑制东北诸王，特别是乃颜的专擅，罢山北辽东道、开元等路宣慰司，置东京等处行中书省，以资监护。这一措施更招致乃颜的不满。乃颜谋反，与海都及西北诸王相联络，构成元朝自东北至西北的强大威胁。

　　忽必烈得到乃颜反讯，先命伯颜亲自去乃颜军中察看虚实，命土土哈肃清驻军在上拉河上的也不干等叛王；并遣伯颜进据和林，遮断乃颜与海都的联系。五月，忽必烈自上都出兵，扶病亲征。由于蒙古军将多是乃颜的将校或戚属，两军对阵时往往“立马相响语，辄释杖不战”，忽必烈命李庭、董士选等统领汉军，用“汉法”战。六月，大军在撒儿都鲁败乃颜部将塔不带、金刚奴，进逼乃颜在辽河上的失刺斡耳朵。乃颜是景教的信奉者，在他的旗帜上立十字架为标志，军号十万，以车环卫为营。忽必烈以步卒持长矛，在火炮掩护下进攻。马可波罗在记述这次战役时写道：“由是双方部众执弓弩骨朵刀矛而战，其迅捷可谓奇观。人们只见双方发矢蔽天，有如暴雨。双方骑卒坠马而死者为数甚众，陈尸满地。死伤之中，各处声起，有如雷震。”乃颜兵败被擒。七月，失都儿北犯咸平，兵败，哈丹及其余党北逃。忽必烈留玉昔帖木儿辅皇孙铁穆耳进讨。一二八八年（至元二十五年），铁穆耳、土土哈、李庭等进击哈丹在呼伦贝尔地区的据点。哈丹流窜辽东、辽西及高丽之间，一二九一年（至元二十八年）被最后击破。

　　三、海都连年扰掠

　　当乃颜之乱发生时，海都征集精骑四千，谋乘隙而动。伯颜进据和林后，海都以孤立无援西退，但连年窜扰，作东北宗王的声援。一二八八年（至元二十五年）海都犯边，忽必烈命驻守畏兀儿地的诸王出伯征讨。一二八九年（至元二十六年），海都军又一次进逼和林，围攻皇孙铁穆耳。和林宣慰使怯伯等响应海都，漠北大震。七月，忽必烈再次亲征，海都军西遁，忽必烈不遇敌而还。明年，海都又在边地进犯，土土哈与牙忽都居守大帐，不战而溃，尽失辎重。一二九二年（至元二十九年）宗王明理铁木儿附海都叛。伯颜奉诏出兵，明理铁木儿败降。一二九三年，忽必烈命御史大夫月律鲁代伯颜统军。六月，铁穆耳镇抚北边，大将土土哈奉诏进攻乞儿吉思，尽收益兰州等五部，进至谦河，屯兵防守。海都引兵来战，败走。海都失谦河诸部地，如断左臂，元朝西北得以暂时免于骚扰。

　　四、海都、笃哇等的败降

　　成宗即位，以宁远王阔阔出（忽必烈子）、驸马阔里吉思（汪古部长阿刺兀思曾孙）等驻防西北。一二九六年（元贞二年），海都、笃哇军内分裂。宗王玉木忽儿、兀鲁思不花和大将朵儿朵哈（在忽必烈时为元守边，后叛附海都）等率领所部军一万二千人投归元朝。一二九七年（大德元年）土土哈病死。子床兀儿承袭父职，领兵越金山，攻打海都占据的八邻，大败海都部下孛伯军。次年，笃哇乘严冬元军失备，再次来袭。阔阔出、床兀儿等疏于防御，驸马阔里吉思战败被擒。成宗即令玉木忽儿、朵儿朵哈领兵反击笃哇，在哈刺火州境，出其不意，大败笃哇军。一二九九年，成宗派皇侄海山（答刺麻八刺子）代阔阔出镇守北边，总领漠北诸军。床兀儿及老臣月赤察儿等为辅。一三○一年（大德五年）海都率察合台、窝阔台系后王四十余人大举东犯，与海山军大战于和林北迭怯里吉之地，海都军溃；后二月，再战于合刺合塔之地，又败。海都不得志而退，在路上得病死去。其子察八儿继立。一三○三年（大德七年），笃哇、察八儿等以长期构兵，全无所得，遣使“请命罢兵，通一家之好。”成宗许和。战乱告一段落。

　　一三○六年（大德十年），海山军乘笃哇与察八儿内讧，西逾阿尔泰山，大败察八儿。察八儿穷蹙无归，降附于笃哇。笃哇兼并了窝阔台兀鲁思的全部领地，窝阔台汗国从此不再存在。同年，笃哇死，成宗命其子宽彻归袭汗位，为元朝的藩臣。