蒙哥汗1259年在南征时的猝然去世，对于南宋而言是获得了短暂的喘息时间。因为彼时兀良哈台已从南边攻打广西南宁、桂林，剑指潭州（今长沙），忽必烈则围攻湖北鄂州（今武昌），蒙哥则在四川一路高奏凯歌，南宋已处于北、西、南三面同时面临进攻的局面。南宋朝廷极为恐慌，当时的丞相丁大全隐匿战情，引发不满，宋理宗将其罢免，并急拜贾似道为右丞相兼枢密使，率军前往鄂州迎敌。
当贾似道看到蒙古大军兵强将勇，以为鄂州难以守住，就背着朝廷，偷偷派人去与忽必烈求和。其后，身为江淮荆湖经略使的赵璧在三千兵卒护送下，进入鄂州城与南宋官员议和。贾似道却借口有足疾不肯出见，乃约再议而还。
蒙哥汗去世后，西、南两路军撤离，护送蒙哥灵柩北返，而在北边的忽必烈在获知元睿宗拖雷的第九子末哥送来的蒙哥的死讯并请他北归参与忽里勒台大会以争取汗位继承权后，最初认为自己是奉命南征，“岂可无功而返”。于是依旧下令发起进攻，多次获胜，但在攻打鄂州时却受阻。在鄂州之战中，宋蒙两军展开数月激烈战斗，双方“死亡枕籍（意思是死者纵横相枕而卧）”。
在战事胶着的情况下，忽必烈的正妻察必又派人将开平的周边动向告知忽必烈，催他北还。忽必烈于是召诸将和谋士商议。
郝经上《班师议》，陈述必须立即退兵的理由。理由有五：
一、此次南征本不应该。蒙古帝国自平金以来，只务进取，不蓄精养锐以待时机，以致用兵日久，费财巨大，且终无成效。蒙哥汗即位后，本应休养生息，但却忽然大举用兵。如今蒙哥汗驾崩，理应与宋议和，回归京师，处理皇位继承大事，若仍旧进军，这是不当进而速进。
二、灭宋时机还不到。如果达不到灭宋目的，则应知难而退，否则徘徊于江边，耽误时日，暴露出蒙军的弱点。等到冬春之交，一旦瘟疫流行，那时恐怕想回师也不可能了。
三、宋朝知蒙古国内政局不稳，因此斗志倍增，其积极备战，大军云集，且还有良将。
四、忽必烈也有北归之意。渡江又不想直趋临安，认为“临安人口稠密，若至临安，虽不杀人，人民也受践踏，于心不忍。若天与我，不必杀人；若天不与，杀人何益”。然为今事急，不可不做决断。
五、蒙古国内局势紧张，塔察儿国王和李璮还有兴兵作乱的可能。忽必烈虽素有重望，且握重兵，但若阿里不哥声称受先帝遗诏，登基正位，下诏中原，行赦江北，那时再欲归京师而不可能了。
郝经还建议派遣一路人马迎接蒙哥大汗的灵柩，收取大汗玉玺，再遣使召集旭烈兀、阿里不哥、末哥及诸王在和林治丧。
此外，廉希宪也力劝忽必烈立即还朝继承汗位，以安天下。他还分析了当下的形势，并亲自前去说服诸王之一的塔察儿拥立忽必烈即汗位。塔察儿是成吉思汗弟弟铁木哥斡赤斤的儿子，在东道诸王中具有举足轻重的地位。
郝经和廉希宪的分析让忽必烈更加看清了形势，坚定了忽必烈退兵北返的决心。不过，在暗中准备北撤时，忽必烈却摆出重兵南下直取南宋都城临安的架势，贾似道马上再派使者请和，表示南宋愿意称臣，并且答应送岁币二十万两银和绢二十万匹，以长江作为两个帝国的共同边界线。这正中忽必烈下怀，他答应了和议条件，随即撤兵北返，只留下张节、阎旺的一支五千人军队迎候围攻长沙的兀良合台大军。
听说忽必烈派军来迎，兀良合台大军遂转奔湖北，张节、阎旺在长江上设浮桥迎接，两军合兵北返。而贾似道再次违反约定，趁蒙古大军撤退时进攻，杀死了殿后的一百多名蒙古军人。贾似道故意把这场小规模进攻吹嘘为巨大的胜利，却不说蒙古军撤退的真正原因。他在奏章中写道：“诸路大捷，鄂围始解，汇汉肃清。宗社危而复安，实万世无疆之福。”宋理宗信以为真，不仅对他大加赞扬，还大加封赏。此后，贾似道专擅朝政十几年。
开平即大汗位
忽必烈北返抵达燕京后，马上解散了听命阿里不哥的脱里赤征召的军队，“民心大悦”，并控制了开平至燕京一带。驻扎在燕京近郊期间，忽必烈与诸王展开联络，商讨在1260年春天召开忽里勒台大会。
1260年春三月，忽必烈来到开平府，召开了忽里勒台大会，末哥、哈丹、阿只吉、塔察儿、也先哥、忽剌忽儿等诸王四十多人偕文武大臣拥立忽必烈即汗位。三月二十四日（1260年5月5日）忽必烈即蒙古帝国大汗位。四月四日（公历5月15日）发布继位诏书。这一年忽必烈四十五岁。
即大汗位后，忽必烈命释子聪（刘秉忠）等人制定官职及各种制度，确定在中央设中书省等部门，任命王文统为中书省平章政事、张文谦为左丞相，任命八春、廉希宪、商挺为陕西四川等路宣抚使，赵良弼参议司事，粘合南合、张启元为西京等处宣抚使。还遣使与宋议和，诏令南伐诸军北归。
1260年（中统元年）五月十九日，忽必烈发布《中统建元诏》，正式建年号“中统”，而这也是仿照汉制。诏书中鼓励大臣上谏言，即便建议不被采纳也不会被怪罪，如被采纳将予以奖励，“以旌忠直”。对于死伤军兵，要予以抚恤。针对被判死刑者，也要反复审核。
随即，忽必烈将汉地分为十道，又任命了十路宣抚司，其中金莲川幕府的张德辉为平阳太原路宣抚使、姚枢为东平路宣抚使、张文谦为大名彰德等路宣抚使、廉希宪为京兆等路宣抚使、徐世隆为燕京副宣抚使。任命李璮为江淮大都督，立行中书省于燕京，行六部，祃祃（mà）为中书丞相，王文统、赵壁为平章政事，张易为参知政事，王鄂为翰林学士承旨兼修国史等等。在金莲川幕府诸多人才的助力下，忽必烈统治的中原地区有条不紊地运作着。
初胜阿里不哥
在忽必烈即大汗位后，争取到蒙哥汗皇后忽都台、蒙哥汗之子玉龙答失、阿速歹等蒙古诸王、贵族、大臣支持的阿里不哥，也匆忙于四月在和林召开另一个忽里勒台大会，宣布自己为新的蒙古大汗。一个帝国出现两位大汗，无疑预示着分裂和战争。
为了不使蒙古帝国陷入混乱，忽必烈一面派使者西行，争取旭烈兀和别儿哥的支持，一方面一再派出使者北行，希望说服阿里不哥。
阿里不哥不肯让步，在双方商议无果后，他将忽必烈派去的一百名使者和两位宗王杀死，然后，派遣两路大军南下。东路由旭烈兀的儿子主木忽儿、术赤的孙子合剌察儿率领，进军开平、燕京等地。西路由阿蓝答儿率领，进入河西走廊，意图与驻扎在六盘山的蒙哥攻宋主力、现由大将浑都海与哈剌不花掌控的军队会合，同时联络京兆的刘太平、霍鲁海等人，准备共同起事。
忽必烈听闻阿里不哥出兵，除了大赦天下，还下诏说，同胞兄弟之间出现权力争夺是他没有想到的，考虑到弟弟年幼，应是被谗言蒙蔽至此，自己顾念父子兄弟之亲、宗庙社稷之重，几次遣使晓谕，但怎料反叛者不听。因此重燃战火绝非本意，内心深感不安。他并表示，待内乱平定，“式续成康之治”。
成康之治（约公元前1043年—约公元前996年）是指西周初周成王、周康王的治世。在那段时间里，国泰民安，刑具四十年不需使用。忽必烈在诏书中做出如此承诺，亦表明其希望在自己治下迎来一个清明社会的雄心。
为了迎来一个清明的社会，忽必烈必须解决与阿里不哥的汗位之争。显然，在与阿里不哥的对决中，忽必烈在才智、胸襟、谋略、人员和粮草、财力等方面更胜一筹，而阿里不哥的视野相对狭隘。
早在忽必烈即汗位当天，他就任命了三名总管汉地财赋行政的负责官员，他们是赵璧、祃祃和董文炳。赵璧在蒙哥初年已经担任过此职，所以得心应手，史书说他“经画馈运，相继不绝”；“手校簿书，得豪贵侵盗逋负钱数万计，乘舆北征，民不扰而军用足”。这说明他这个供给北边用兵的后勤保障官非常称职。
此外，早在北返途中，忽必烈在谋士的建议下，对于秦蜀陇地区可能遭到的进攻早有防范。其后，他委任的京兆宣抚使廉希宪和参议赵良弼到达关中后，很快稳定了形势，先是捕杀了谋反的刘太平、霍鲁海等人，随后在与浑都海和阿蓝答儿部的正面交锋中，将二人杀死，阿里不哥企图占据关中的计划落空。
另一方面，忽必烈亲率人马迎击阿里不哥的东路军，并很快将其击溃。阿里不哥难以继续留在和林，只好退到由他继承的拖雷封地吉里吉思（今叶尼塞河中上游）。
1260年冬天，忽必烈顺利进入和林。或许是因为和林城过于破败，忽必烈并没有在此停留过久，而是前往南边的汪吉河（今翁金河）冬营地，进行短暂休整。
在与阿里不哥打仗的同时，忽必烈还尽量争取更多的支持，尤其是旭烈兀、别儿哥和察合台汗国的支持。当时，西征的旭烈兀在东返途中得到忽必烈和阿里不哥争位的消息，遂留在西亚，建立了伊儿汗国，忽必烈后封他为“伊儿汗”，视野开阔的他亦支持忽必烈继承大汗位，而忽必烈则同意将阿母河以西至埃及边境的波斯国土和该地蒙古、大食军民交给他统治。
不过，钦察汗国的别儿哥一直保持中立，表示不介入这场汗位之争。而察合台汗国的可汗、察合台的孙子哈剌旭烈与蒙哥亲善，但他已去世，封地由其妻兀鲁忽乃摄政，兀鲁忽乃支持阿里不哥。由于忽必烈封锁了察合台汗国与阿里不哥间的交通往来，兀鲁忽乃无法为阿里不哥提供物资。
在物资供应困难的情况下，阿里不哥派跟随他的察合台的另一个孙子阿鲁忽回去察合台汗国主掌国事，并与他约定为自己提供武器和粮食，防范旭烈兀和别儿哥对忽必烈的支持。
此时的形势对于阿里不哥而言相当不利。担心忽必烈追击自己的阿里不哥遂派遣使者向忽必烈请求宽宥，并称等秋高马肥之时就前去请罪。他还表示愿意约伯勒克、旭烈兀、阿鲁忽三王一同入朝觐见，共同解决汗位继承之事。
忽必烈不疑有诈，马上表示同意，说“我信弟言，愿弟于三王到达以前，先图一晤”。遂留成吉思汗弟弟哈撒儿的儿子也孙哥镇守漠北等候阿里不哥，自己则冒着严寒返回开平，处理国事。
阿里不哥臣服
得到忽必烈信任的阿里不哥，遂在吉里吉思修整。事实上，向忽必烈请求宽宥只是他的缓兵之计。在修整了一个冬春后，1261年秋天，在自己的军队兵强马壮、援军到达后，阿里不哥违背承诺，再次向忽必烈发起进攻。他先向驻守在和林的也孙哥伪称率众来归，也孙哥深信不疑，表示欢迎，而阿里不哥趁其不备，发动突然袭击，并将其打败，占领和林。随后，阿里不哥率领大军南下，直指忽必烈的开平府。
忽必烈听闻阿里不哥假装归顺、占领和林的消息后，亲率诸路汉军与蒙古诸王所辖部队北上迎战。双方在昔木土脑儿（今蒙古苏赫巴托南部）相遇，忽必烈大军大败阿里不哥右翼军，待蒙哥之子阿速台率领的后继部队赶到，阿里不哥回军再战，两军鏖战至夜仍不分胜负，遂鸣金收兵，暂时返回各自营地。此后直到冬季，双方相峙于大碛南缘。
此时，回到察合台汗国并取得权力的阿鲁忽因不满阿里不哥多次向其征兵征粮，拒绝再向他提供给养。由于给养越来越困难，阿里不哥没办法，直接派人去察合台汗国境内征集牲畜、马匹和武器。阿鲁忽听说后大怒，下令夺走了那批财物，并率兵到忽只儿之地，杀死了使臣，公开与阿里不哥决裂，并转而承认忽必烈为大汗。忽必烈后同意将阿尔泰山至阿姆河之间的土地归阿鲁忽所有，阿鲁忽十分高兴。
阿里不哥闻听阿鲁忽背叛了自己，大为震怒，不顾与忽必烈大军对峙的形势，于1262年春决意攻打阿鲁忽，并放弃了和林。和林守军归降忽必烈，忽必烈采取安抚政策，并承诺免其今年赋税。忽必烈本想派兵追击阿里不哥，但因为得知江淮大都督李璮在山东叛乱，杀死大部蒙古军，以地归宋，遂率军返回漠南。
返回后，忽必烈命异母兄弟哈必赤、丞相史天泽率兵围攻李璮。李璮固守济南城，四个月后，粮尽的济南城被攻破，李璮手刃妻妾后，乘船进入大明湖，欲投水自尽。因水浅没有成功，为蒙古军俘获，之后被杀。而前来增援的宋军虽然到了山东，但因为不敢冒进而还。
再看阿里不哥。起初，攻打阿鲁忽的阿里不哥兵败，大将哈刺不花战死，随后，趁着阿鲁忽轻敌，阿里不哥大败阿鲁忽，占据了察合台汗国的都城阿力麻里。阿鲁忽先是逃到兀丹（今新疆和田），后败走至撒马尔干（今乌兹别克撒马尔罕）。
阿里不哥虽然取得了胜利，但他肆无忌惮地杀死阿鲁忽部众、戕害凌辱蒙古同胞的暴虐之举，引起了其手下大臣和军士的愤怒，他们纷纷找借口离开他，如旭烈兀的儿子主木忽儿、蒙哥的儿子昔里吉都选择了离开。
1264年，阿力麻里发生了饥荒，死者无计，但阿里不哥并不作为，反而继续寻欢作乐。一天他正在纵情饮酒时，大帐突然被一阵狂风撕破，支柱被折断，造成多人受伤，人们将这视为不祥之兆。自此军心愈加涣散，更多人离去。
此时，众叛亲离的阿里不哥不仅面临着缺粮的危机，还要担心阿鲁忽卷土重来。于是他派人将阿鲁忽的妃子送还给阿鲁忽，寻求和解。
又过了一段时间，实在支撑不下去的阿里不哥带着残兵败将归降于忽必烈。长达四年多的汗位之争至此结束。
史载，阿里不哥进大帐觐见忽必烈前，依照蒙古习俗，人以帐帘覆其首，跪拜请罪。进入大帐后，忽必烈看着他先是无语，见阿里不哥哭，自己也哭了起来。过了一会儿，忽必烈问道：“若照常理而言，你我兄弟二人究竟谁应该继承大位？”阿里不哥答道：“昔日应该是我，今日是你。”阿里不哥的意思是因为蒙古有幼子继承家庭财产的习惯，因此认为大汗之位也应该由他来继承，所以他争汗位并没有错，但实际上，并没有幼子继承汗位这一说法，而且他们的父亲拖雷也不曾继承汗位。是以不论从长幼有序还是才智这方面而言，忽必烈继承汗位更名正言顺。
由于阿里不哥、阿速台等诸王都是成吉思汗的后裔，属于黄金家族成员，忽必烈没有问罪于他们，而是将其释放，并告知了旭烈兀、别儿哥等诸王，得到了他们的认同。不过，阿里不哥身边的一些谋臣被处死。1266年，忧郁成疾的阿里不哥去世。
参考资料：
《新元史》
《元史》
《忽必烈传》
《忽必烈和他的世界帝国》
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（转自大纪元/责任编辑：浩宇）
