伯颜大败河平王昔里吉，救出被俘的北平王那木罕和丞相安童后，正欲乘胜追击，忽报皇帝忽必烈召见，便立刻动身，前往燕京拜见元世祖忽必烈。
见到伯颜，忽必烈先是嘉奖，然后不无忧虑地对他说：“现在海都的叛乱还没有平息，据密报，东道诸王乃颜叛迹已显，一旦他们与海都等西道诸王联合，形成夹攻岭北、连兵南下的态势，我朝将很难在短时期内控制局面。所以，在这个问题上，我想听听你的意见。”
伯颜听了元世祖的话，思考了一下，然后问道：“皇上对东道诸王恩重如山，乃颜怎能阴谋发动叛乱呢？究竟是谣传，还是有真凭实据？”
忽必烈说：“乃颜背着我多次征集兵员，我已经命令行省里的官员阇里帖木儿，没有得到我的命令不得擅自派出军队。听说乃颜对我这一命令很不满意，口出怨言，心怀不满，由此看来，他有叛乱之心。”
伯颜说：“原来如此。皇上，虽然如此，但也不能完全肯定他就要反叛。我们不能冤枉一个好人，也绝不放过一个坏人。当今皇上开创事业，正是用人之际，还是慎重为好。我看还是先行安抚，察言观色，能不打仗最好！如果他反叛之意已决，那我们再决策也不迟。”
忽必烈说：“那，你看让谁去安抚好呢？”
伯颜答道：“臣愿效犬马之劳！”
忽必烈说道：“好吧！不过，此行前途危机四伏，怕有生命之虞。爱卿当谨慎为上，好自为之。”
乃颜，是元太祖成吉思汗的弟弟别勒古台的曾孙。别勒古台的封地为斡难、克鲁伦两河间的地域，乃颜世袭为王。像其他的反叛诸王一样，忽必烈用汉人推行汉法的举措，让这个始终保持着蒙古草原部落旧有生活习惯和思维方式的人极为愤慨，刚好海都发动叛乱，经他一游说，乃颜就想征集兵员，帮助叛逆的军队，背叛朝廷。
伯颜接旨后，知道此行凶多吉少，于是就作了精心的准备。他认为，要平安回来，逃回来时的交通是一个关键。于是，他没有带大队侍卫，只是带着几名亲信家人，备足金银珠玩、珍裘细软进入乃颜地界。到了乃颜控制的地区以后，每到一个驿站，伯颜就把这些皮袍、珠宝送给管驿站的官员，驿站里的官员对他的善良行为非常感激，一路上他结交了不少朋友。
乃颜反心已决，对伯颜的来意也有所了解，便设下一个计谋，打算在宴会中把他抓起来，除掉伯颜。聪明的伯颜察颜观色，发现了乃颜的阴谋，便在他们还没有来得及动手之前，就找了个借口，与随从偷偷逃了出来，分三条道逃走。管理驿站的官员因为得了他的好处，成了他的朋友，不但不加阻拦，反而争着把健壮的快马献给他，于是他得以成功逃脱。
伯颜返回朝廷，即把侦知的情况向忽必烈汇报。
“乃颜那里有无动静？”忽必烈问道。
“乃颜反意已决！”
忽必烈并不意外，惟神情凝重，眉头微锁，“爱卿有何破敌之计？”
伯颜答道：“臣下以为，要剿灭乃颜，必先孤立他，不让他与西道诸王联合。因此，皇上应派能言之士出西道，安抚好西道各王，让他们不能有非分之想，不敢轻举妄动。这样我们便可全力以赴对付乃颜。”
“好，那就派阿沙不花进入西道诸王那儿，扬言说乃颜已经放弃叛乱的打算，要向朝廷投诚。西道诸王听到乃颜放弃叛乱的消息后，也就不敢再有非分之想了。”
“皇上英明！”
阿沙不花安抚好西道诸王后报告忽必烈，忽必烈遂决议亲征乃颜。
至元二十四年（1287年）五月初九，已是七十三岁高龄的忽必烈皇帝亲乘象辇，以迅雷不及掩耳之势兵进大兴安岭。
乃颜做梦也没想到忽必烈会以如此快的速度集结起数十万大军，更没有想到年事已高且患有严重风疾的忽必烈会亲征。
六月三日，忽必烈大军突进到撒儿都鲁之地（呼伦湖东南沙尔土冷呼都克），乃颜同党塔布台带率所部六万骑兵而来。随后，叛将黄海、金家奴等率叛军气势汹汹地包围了元军部队。当时正值大兴安岭汛期，元军远道奔袭，兵马俱疲，加之元军在数量上居于劣势，且军中乏食，因此，两军会战，各有胜负。
御帐内，忽必烈又与众将计议如何破敌。
左丞相叶李密奏道：“臣观近日之战，我部蒙古将士多与叛军熟识，恐不能力战。兵法说，兵贵在出奇制胜，不是越多越好，而在于同仇敌忾。臣下以为，不如启用汉军，用汉人作战的办法指挥作战，必能获胜。”
“准奏。命左丞相率李庭等汉将，充作先锋，以汉法布好阵势，排列好战马，严阵以待，准备作战。”
两军又战，李庭以汉法排兵布阵。前有炮火阵地，中为汉军方队，左右为骑兵，忽必烈皇帝安坐四象并御的大木楼之上，亲自督战。
忽见前面尘飞沙起，乃颜兵如溃堤之势，吞天沃日而来。左军为塔布台，右军为金嘉努，乃颜自领中军，三路大军，号称十万。
两军隔河对峙，相距百米之遥。
看乃颜军还没有扎住阵脚，李庭便叫汉军开火，密集的炮石轰轰飞向敌阵，霎时把敌阵砸乱了，轰懵了。敌骑兵猝不及防，骑卒坠马而死者甚众，尸陈遍野。待乃颜指挥准备冲锋时，早有蒙古骑兵从两面包抄上去，与敌厮杀，汉军步兵趁机接敌，与敌人厮杀。霎时，天昏地暗，地动山摇。汉军步兵近战敌骑兵，一点也不吃亏，远用长矛，骑兵还没有到近前，早被枪挑了下来；近用大刀，头顶盾牌，专砍马腿，掀翻敌人，后面的立刻跟上补上一刀。乃颜一看不好，马上收兵，退后十几里，凭据险要之地据守。
第二日，忽必烈再督军欲战，可乃颜坚壁不出。原来他采用塔布台的计策，凭险坚守，想耗尽元军粮草，便不攻自破。所以，任凭元军如何叫阵，乃颜充耳不闻，只是高挂“免战牌”。
看到乃颜部不出击作战，元军粮食日渐匮乏，忽必烈也没有办法。
乡农司铁哥献计说道：“敌军据险扎寨，拒不出战，是想待我军粮草耗尽、意志消沉、丧失斗志之时再攻击我们。我们如果与他相持下去，正好中了他们的圈套。不如将计就计，设置迷局，反扰敌军心，使他们无望而走，然后我军趁敌撤退，在运动中歼灭敌人。”
忽必烈忙问：“爱卿有何妙计？”
铁哥说道：“只需如此这般即可。”
忽必烈大喜，马上吩咐依计而行。
乃颜虽然闭门不战，与元朝军队相持观望，但是他也没有闲着，每天都在侦察元军的动静。这天，乃颜得到密探报告，说忽必烈正与群臣在帐内大摆筵席，无事喝酒呢。士兵们也非常悠闲，三五成群，游戏娱乐，好像他们要在此长期驻扎下去，一点儿要走的意思也没有。
听了密探的报告，乃颜心里泛起嘀咕：如果真是这样，那我们的坚壁清野、拖垮敌军之计不但不能拖垮敌军，反而把我们自己拖垮了。现在偷营，汉军的战法独特，我军见了就打怵，怎么办？于是，他立刻召集塔布台等商议对策。
塔布台说道：“忽必烈他们如此悠闲自在，一定是军粮充足，我们如果这样继续与他相持下去，反而受到他的控制，最后会被他消灭。不如现在我们撤回老林，等忽必烈班师回去了，我们再起兵如何？俗话说，留得青山在，不愁没柴烧。只要我们有力量，不怕忽必烈不投降。事不宜迟，今晚我军就悄无声息地撤退而去，把守险要关口，以后再寻找机会作战。”
乃颜是一个没有多少智谋和主见的人，塔布台这么一说，他觉得很有道理，于是采纳了塔布台的建议，命令部队悄悄撤退。这正好中了忽必烈的计谋。
乃颜的士兵得到了撤退回去的命令，自然心中是一万个愿意。他们恨不得长出一双翅膀，现在就飞回去。乃颜哪里知道，归心似箭的士兵根本不好节制，哪里还肯拼力战斗？而这，恰恰中了忽必烈的妙计。顿时乃颜全营纷乱，毫无秩序。
乃颜军营里这种忙乱的情形，早被探军报告了忽必烈。于是，忽必烈命令各部作好战斗准备，一旦敌军撤离营地，骑兵掩杀，汉军在路旁埋伏，用炮火封锁敌人的出路，不让敌军逃走。
夜色悄悄降临，元军在夜色的掩护下，一张死亡的大网罩向了乃颜部军队。
乃颜军队士兵上搭下挂，一副搬家的模样，虽然悄无声息，但却毫无战斗力。他们归心似箭，心里庆幸自己远离那煞人的炮火，能活着回去见到自己的老婆孩子了。
正当他们暗自高兴时，忽然一声炮响，接着密集的催命的炮石又落到了队伍当中，接着就是喊杀声四起，声如惊雷，惊天动地，士兵大为惊恐，顿时乱作一团，一哄而散。
李庭率领汉军奋勇向前，接着蒙古将军玉昔帖木儿所率领的蒙古骑兵到达，乃颜军队本是悄悄撤退，不想会有埋伏，没有作战的准备，被两支大军一冲，马上就像老虎入了羊群，只有任人宰割的份了。
汉军将士个个奋勇，长矛挑、大刀砍、宝剑刺、马刀剁，以一当十；蒙古骑兵看见汉人军队奋勇作战，也不甘示弱，又像打猎一般，把乃颜部队圈在了中间，然后刀劈箭射。乃颜士兵纷纷落马，虽左冲右突，但始终跑不出元军的包围圈，再加上夜晚漆黑，马匹视线不好，所以乃颜部将士像无头的苍蝇，在人群中乱撞，逃到东边遇着汉军的阻击，跑到西边遭到蒙古军的抵抗，犹如笼中之鸟，四面围困，插翅难飞。杀死射死之人不计其数，光因摔倒被马踏成肉泥者就不在少数。
一场混战，乃颜部队伤亡惨重。塔布台被汉军砍杀，金嘉努被踏成肉泥，乃颜穷途末路，侥幸杀开一条血路，带着几个亲信狼狈逃去，至失列门林之地，已是人困马乏，身边已无将士跟随。乃颜仰天长啸，悲从心来，不想道路崎岖，战马疲惫，竟连人带马一齐踏入泥沼中，不得脱身，被后面紧追的元军将士活捉。
忽必烈很快处死了乃颜。玉昔帖木儿领军又折回哈尔哈河，扫荡呼伦贝尔草原。元军逆亦迷河（今伊敏河）而上，北至海剌儿河，东逾哈剌温山，进至那兀江，即嫩江流域，追击乃颜余党。哈丹秃鲁干投降，不久又叛，后逃窜至高丽，至元二十八年才被平定。
平定乃颜叛乱后，忽必烈即将叛王的部民、财产没收，另分与其他人，又命在乃颜故地立肇州城，即今天的黑龙江肇源县，并将其所领的部分蒙古军分置于河南、江浙、湖广、江西诸省。
经过这次打击，东道诸王的势力大为削弱，最终都接受朝廷所置行省的节制。
此次战役，忽必烈以七十有余高寿亲征，本身就是对士兵的一种激励。在作战中，他能将计就计，巧布疑阵，致敌参谋失误，放弃优势，而同时他大胆启用汉军，发挥近战优势，此长彼消，焉有不胜之理？