伯顏大敗河平王昔里吉，救出被俘的北平王那木罕和丞相安童後，正欲乘勝追擊，忽報皇帝忽必烈召見，便立刻動身，前往燕京拜見元世祖忽必烈。
見到伯顏，忽必烈先是嘉獎，然後不無憂慮地對他說：“現在海都的叛亂還沒有平息，據密報，東道諸王乃顏叛跡已顯，一旦他們與海都等西道諸王聯合，形成夾攻嶺北、連兵南下的態勢，我朝將很難在短時期內控制局面。所以，在這個問題上，我想听聽你的意見。”
伯顏聽了元世祖的話，思考了一下，然後問道：“皇上對東道諸王恩重如山，乃顏怎能陰謀發動叛亂呢？究竟是謠傳，還是有真憑實據？”
忽必烈說：“乃顏背著我多次徵集兵員，我已經命令行省裡的官員阇裡帖木兒，沒有得到我的命令不得擅自派出軍隊。聽說乃顏對我這一命令很不滿意，口出怨言，心懷不滿，由此看來，他有叛亂之心。”
伯顏說：“原來如此。皇上，雖然如此，但也不能完全肯定他就要反叛。我們不能冤枉一個好人，也絕不放過一個壞人。當今皇上開創事業，正是用人之際，還是慎重為好。我看還是先行安撫，察言觀色，能不打仗最好！如果他反叛之意已決，那我們再決策也不遲。”
忽必烈說：“那，你看讓誰去安撫好呢？”
伯顏答道：“臣願效犬馬之勞！”
忽必烈說道：“好吧！不過，此行前途危機四伏，怕有生命之虞。愛卿當謹慎為上，好自為之。”
乃顏，是元太祖成吉思汗的弟弟別勒古台的曾孫。別勒古台的封地為斡難、克魯倫兩河間的地域，乃顏世襲為王。像其他的反叛諸王一樣，忽必烈用漢人推行漢法的舉措，讓這個始終保持著蒙古草原部落舊有生活習慣和思維方式的人極為憤慨，剛好海都發動叛亂，經他一遊說，乃顏就想徵集兵員，幫助叛逆的軍隊，背叛朝廷。
伯顏接旨後，知道此行凶多吉少，於是就作了精心的準備。他認為，要平安回來，逃回來時的交通是一個關鍵。於是，他沒有帶大隊侍衛，只是帶著幾名親信家人，備足金銀珠玩、珍裘細軟進入乃顏地界。到了乃顏控制的地區以後，每到一個驛站，伯顏就把這些皮袍、珠寶送給管驛站的官員，驛站裡的官員對他的善良行為非常感激，一路上他結交了不少朋友。
乃顏反心已決，對伯顏的來意也有所了解，便設下一個計謀，打算在宴會中把他抓起來，除掉伯顏。聰明的伯顏察顏觀色，發現了乃顏的陰謀，便在他們還沒有來得及動手之前，就找了個藉口，與隨從偷偷逃了出來，分三條道逃走。管理驛站的官員因為得了他的好處，成了他的朋友，不但不加阻攔，反而爭著把健壯的快馬獻給他，於是他得以成功逃脫。
伯顏返回朝廷，即把偵知的情況向忽必烈匯報。
“乃顏那裡有無動靜？”忽必烈問道。
“乃顏反意已決！”
忽必烈並不意外，惟神情凝重，眉頭微鎖，“愛卿有何破敵之計？”
伯顏答道：“臣下以為，要剿滅乃顏，必先孤立他，不讓他與西道諸王聯合。因此，皇上應派能言之士出西道，安撫好西道各王，讓他們不能有非分之想，不敢輕舉妄動。這樣我們便可全力以赴對付乃顏。”
“好，那就派阿沙不花進入西道諸王那兒，揚言說乃顏已經放棄叛亂的打算，要向朝廷投誠。西道諸王聽到乃顏放棄叛亂的消息後，也就不敢再有非分之想了。”
“皇上英明！”
阿沙不花安撫好西道諸王后報告忽必烈，忽必烈遂決議親征乃顏。
至元二十四年（1287年）五月初九，已是七十三歲高齡的忽必烈皇帝親乘象輦，以迅雷不及掩耳之勢兵進大興安嶺。
乃顏做夢也沒想到忽必烈會以如此快的速度集結起數十萬大軍，更沒有想到年事已高且患有嚴重風疾的忽必烈會親征。
六月三日，忽必烈大軍突進到撒兒都魯之地（呼倫湖東南沙爾土冷呼都克），乃顏同黨塔布台帶率所部六萬騎兵而來。隨後，叛將黃海、金家奴等率叛軍氣勢洶洶地包圍了元軍部隊。當時正值大興安嶺汛期，元軍遠道奔襲，兵馬俱疲，加之元軍在數量上居於劣勢，且軍中乏食，因此，兩軍會戰，各有勝負。
禦帳內，忽必烈又與眾將計議如何破敵。
左丞相葉李密奏道：“臣觀近日之戰，我部蒙古將士多與叛軍熟識，恐不能力戰。兵法說，兵貴在出奇制勝，不是越多越好，而在於同仇敵愾。臣下以為，不如啟用漢軍，用漢人作戰的辦法指揮作戰，必能獲勝。”
“准奏。命左丞相率李庭等漢將，充作先鋒，以漢法布好陣勢，排列好戰馬，嚴陣以待，準備作戰。”
兩軍又戰，李庭以漢法排兵布陣。前有炮火陣地，中為漢軍方隊，左右為騎兵，忽必烈皇帝安坐四象並禦的大木樓之上，親自督戰。
忽見前面塵飛沙起，乃顏兵如潰堤之勢，吞天沃日而來。左軍為塔布台，右軍為金嘉努，乃顏自領中軍，三路大軍，號稱十萬。
兩軍隔河對峙，相距百米之遙。
看乃顏軍還沒有紮住陣腳，李庭便叫漢軍開火，密集的砲石轟轟飛向敵陣，霎時把敵陣砸亂了，轟懵了。敵騎兵猝不及防，騎卒墜馬而死者甚眾，屍陳遍野。待乃顏指揮準備衝鋒時，早有蒙古騎兵從兩麵包抄上去，與敵廝殺，漢軍步兵趁機接敵，與敵人廝殺。霎時，天昏地暗，地動山搖。漢軍步兵近戰敵騎兵，一點也不吃虧，遠用長矛，騎兵還沒有到近前，早被槍挑了下來；近用大刀，頭頂盾牌，專砍馬腿，掀翻敵人，後面的立刻跟上補上一刀。乃顏一看不好，馬上收兵，退後十幾里，憑據險要之地據守。
第二日，忽必烈再督軍欲戰，可乃顏堅壁不出。原來他採用塔布台的計策，憑險堅守，想耗盡元軍糧草，便不攻自破。所以，任憑元軍如何叫陣，乃顏充耳不聞，只是高掛“免戰牌”。
看到乃顏部不出擊作戰，元軍糧食日漸匱乏，忽必烈也沒有辦法。
鄉農司鐵哥獻計說道：“敵軍據險扎寨，拒不出戰，是想待我軍糧草耗盡、意志消沉、喪失鬥誌之時再攻擊我們。我們如果與他相持下去，正好中了他們的圈套。不如將計就計，設置迷局，反擾敵軍心，使他們無望而走，然後我軍趁敵撤退，在運動中殲滅敵人。”
忽必烈忙問：“愛卿有何妙計？”
鐵哥說道：“只需如此這般即可。”
忽必烈大喜，馬上吩咐依計而行。
乃顏雖然閉門不戰，與元朝軍隊相持觀望，但是他也沒有閒著，每天都在偵察元軍的動靜。這天，乃顏得到密探報告，說忽必烈正與群臣在帳內大擺筵席，無事喝酒呢。士兵們也非常悠閒，三五成群，遊戲娛樂，好像他們要在此長期駐紮下去，一點兒要走的意思也沒有。
聽了密探的報告，乃顏心裡泛起嘀咕：如果真是這樣，那我們的堅壁清野、拖垮敵軍之計不但不能拖垮敵軍，反而把我們自己拖垮了。現在偷營，漢軍的戰法獨特，我軍見了就打怵，怎麼辦？於是，他立刻召集塔布台等商議對策。
塔布台說道：“忽必烈他們如此悠閒自在，一定是軍糧充足，我們如果這樣繼續與他相持下去，反而受到他的控制，最後會被他消滅。不如現在我們撤回老林，等忽必烈班師回去了，我們再起兵如何？俗話說，留得青山在，不愁沒柴燒。只要我們有力量，不怕忽必烈不投降。事不宜遲，今晚我軍就悄無聲息地撤退而去，把守險要關口，以後再尋找機會作戰。”
乃顏是一個沒有多少智謀和主見的人，塔布台這麼一說，他覺得很有道理，於是採納了塔布台的建議，命令部隊悄悄撤退。這正好中了忽必烈的計謀。
乃顏的士兵得到了撤退回去的命令，自然心中是一萬個願意。他們恨不得長出一雙翅膀，現在就飛回去。乃顏哪裡知道，歸心似箭的士兵根本不好節制，哪裡還肯拼力戰鬥？而這，恰恰中了忽必烈的妙計。頓時乃顏全營紛亂，毫無秩序。
乃顏軍營裡這種忙亂的情形，早被探軍報告了忽必烈。於是，忽必烈命令各部作好戰鬥準備，一旦敵軍撤離營地，騎兵掩殺，漢軍在路旁埋伏，用砲火封鎖敵人的出路，不讓敵軍逃走。
夜色悄悄降臨，元軍在夜色的掩護下，一張死亡的大網罩向了乃顏部軍隊。
乃顏軍隊士兵上搭下掛，一副搬家的模樣，雖然悄無聲息，但卻毫無戰鬥力。他們歸心似箭，心裡慶幸自己遠離那煞人的砲火，能活著回去見到自己的老婆孩子了。
正當他們暗自高興時，忽然一聲炮響，接著密集的催命的砲石又落到了隊伍當中，接著就是喊殺聲四起，聲如驚雷，驚天動地，士兵大為驚恐，頓時亂作一團，一哄而散。
李庭率領漢軍奮勇向前，接著蒙古將軍玉昔帖木兒所率領的蒙古騎兵到達，乃顏軍隊本是悄悄撤退，不想會有埋伏，沒有作戰的準備，被兩支大軍一沖，馬上就像老虎入了羊群，只有任人宰割的份了。
漢軍將士個個奮勇，長矛挑、大刀砍、寶劍刺、馬刀剁，以一當十；蒙古騎兵看見漢人軍隊奮勇作戰，也不甘示弱，又像打獵一般，把乃顏部隊圈在了中間，然後刀劈箭射。乃顏士兵紛紛落馬，雖左沖右突，但始終跑不出元軍的包圍圈，再加上夜晚漆黑，馬匹視線不好，所以乃顏部將士像無頭的蒼蠅，在人群中亂撞，逃到東邊遇著漢軍的阻擊，跑到西邊遭到蒙古軍的抵抗，猶如籠中之鳥，四面圍困，插翅難飛。殺死射死之人不計其數，光因摔倒被馬踏成肉泥者就不在少數。
一場混戰，乃顏部隊傷亡慘重。塔布台被漢軍砍殺，金嘉努被踏成肉泥，乃顏窮途末路，僥倖殺開一條血路，帶著幾個親信狼狽逃去，至失列門林之地，已是人困馬乏，身邊已無將士跟隨。乃顏仰天長嘯，悲從心來，不想道路崎嶇，戰馬疲憊，竟連人帶馬一齊踏入泥沼中，不得脫身，被後面緊追的元軍將士活捉。
忽必烈很快處死了乃顏。玉昔帖木兒領軍又折回哈爾哈河，掃蕩呼倫貝爾草原。元軍逆亦迷河（今伊敏河）而上，北至海剌兒河，東逾哈剌溫山，進至那兀江，即嫩江流域，追擊乃顏餘黨。哈丹禿魯幹投降，不久又叛，後逃竄至高麗，至元二十八年才被平定。
平定乃顏叛亂後，忽必烈即將叛王的部民、財產沒收，另分與其他人，又命在乃顏故地立肇州城，即今天的黑龍江肇源縣，並將其所領的部分蒙古軍分置於河南、江浙、湖廣、江西諸省。
經過這次打擊，東道諸王的勢力大為削弱，最終都接受朝廷所置行省的節制。
此次戰役，忽必烈以七十有餘高壽親征，本身就是對士兵的一種激勵。在作戰中，他能將計就計，巧佈疑陣，致敵參謀失誤，放棄優勢，而同時他大膽啟用漢軍，發揮近戰優勢，此長彼消，焉有不勝之理？