六月，元世祖亲自率领大军从上都来到撒儿都鲁(今辽河附近)，乃颜和金家奴、塔不歹等率领十来万军队进逼元世祖的住所。忽必烈见敌众我寡，接受司农卿铁哥的建议，搭设营帐，端坐在胡床上细斟慢饮，效仿诸葛亮空城计，以计取胜。塔不歹等见忽必烈镇定自若，心里害怕，不敢发动进攻。
不久，忽必烈在乃颜军队退缩之时下令李庭率领汉军向叛军发起猛烈进攻，乃颜败走，逃到实列门林后被元军擒杀。七月，元世祖派人领兵攻打乃颜的余党，一直向北追到金山(今吉林白城市西南大兴安岭)，全部剿灭了乃颜部的势力。
至元二十五年(公元1288年)正月，诸侯脱里海都进犯边境地区。海都是太宗窝阔台的孙子。宪宗时，海都被封在海押立(巴尔喀什湖和伊黎河之间)一地为王。到元世祖时，海都的势力强大起来，成为窝阔台汗后代各位诸侯脱里的首领。1269年开始，海都便开始谋求自立，一些脱里贵族逐渐依附海都，削弱了元朝的统治力量。1289年秋，元世祖亲自率领军队讨伐海都。经过几年的征战，双方互有胜负。
至元三十一年(公元1294年)春，元世祖忽必烈感觉身体不舒服。正月十九日，病情加重。正月二十二日，元世祖在紫檀殿驾崩，在位共三十五年，享年80岁。正月二十四日，皇帝的灵柩安葬于起辇谷中。同年，成宗铁穆耳即位，继续攻打海都，直到1308年才彻底平定了漠北的海都叛乱。