1259年8月11日，蒙哥因病去世在合州釣魚山，由於沒有在臨終前留下遺詔確定繼承人，導致了此後忽必烈與阿里不哥為爭奪汗位而內戰五年。蒙哥去世後最有資格和可能繼承汗位的，除了旭烈兀就是忽必烈和阿里不哥。阿里不哥是拖雷的嫡子和蒙哥的親弟弟，而且是最小的。這種身份在蒙古人那裡，地位非常特殊。因為蒙古人最看重的是嫡幼子，稱他們為“看守火和灶”的人。所以蒙哥決定御駕親征時，留守哈剌和林的便是幼弟阿里不哥和自己的嫡幼子玉龍答失。實際上阿里不哥一直生活在漠北。對他來說草原世界比農耕社會更有吸引力。因此他對長兄蒙哥忠心耿耿，卻不喜歡也不信任忽必烈和旭烈兀。
當時忽必烈和阿里不哥的支持率是大致相當的，阿里不哥唯一佔據優勢的，是幼子守灶的傳統。但是，這個傳統，其實是在成吉思汗之前流行的，或者是在蒙古民間流行的，從成吉思汗開始，到窩闊臺，到貴由，到蒙哥，從來沒有執行過。也就是說，這基本上是一條被廢了的傳統。所以，就算這一點，阿里不哥也不佔優勢。相比之下阿里不哥在忽裡臺召開的大會上比他的二弟忽必烈更加有號召力，忽必烈在蒙古的名號要比他的哥哥阿里不哥更響亮。西道諸王是偏向支持阿里不哥，是因為他不支持二弟行漢法，並不是因為欣賞阿里不哥的才華，兩人的汗位相爭其實關係到了要不要實施漢法。而戰功，是立大汗最重要的一個考量。有一個實際的證明，為什麼蒙哥會御駕親征，親自帶領軍隊向南宋發動進攻？就是因為他看到忽必烈在經略漠南以後，立下了赫赫戰功，獲得了巨大的支持，他心裡慌張，所以才會這樣做。既然蒙哥作為大汗，沒有戰功，都忌憚忽必烈，何況是阿里不哥。
作為嫡幼子，阿里不哥原本就有競爭汗位的天然優勢，何況他們一夥還據守在帝國的心臟哈剌和林。要知道，按照傳統，選舉大汗的忽裡臺只有在漠北召開，才具有毋庸置疑的合法性。那就等著忽必烈來開會。忽必烈很清楚，現在回到哈剌和林，根本就爭不過阿里不哥，反倒很有可能被逼出兩難選擇：擦槍走火或者俯首稱臣。兩種結果都不是忽必烈想要的，也不是他能要的。他要的是憑藉實力登上汗位，這就必須有赫赫戰功，必須漂亮地打他一仗。
因此忽必烈決定，突破長江防線圍攻鄂州。鄂州就是今天的武漢市武昌區，也是南宋在長江流域的大城市，結果忽必烈久攻不下。兩個月後，他的妻子派人從哈剌和林送來消息，阿里不哥在漠北調兵遣將，眼看就要自立為汗。忽必烈沒有辦法，只好一面與南宋議和，一面派兵到湖南長沙接應兀良合臺，自己則領軍北上。
1260年春，忽必烈放棄了對南宋的進攻，率軍返回開平準備迎戰阿里不哥。根據《元史》上的記載，忽必烈在回到開平後，許多宗王請求他繼承汗位，在經過三次象徵性的拒絕後，忽必烈於5月5日召開了一次忽裡臺大會，並被眾人選舉為大汗。可事實卻是，大部分蒙古貴族都沒有出席忽必烈召集的這次會議，因此他的當選並不被大多數人所認可。不久，阿里不哥在哈剌和林宣佈繼承大汗之位。如此一來，蒙古帝國就出現了兩位“大汗”相抗衡的局面。
當時蒙古帝國的三個主要汗國中，金帳汗國和察合臺汗國都支持阿里不哥，只有伊利汗國的旭烈兀支持忽必烈。然而，當時伊利汗國和金帳汗國之間因對外高加索地區的支配權爆發了戰爭，所以旭烈兀的主要精力都放在中亞這邊，對忽必烈在汗位之爭中所起到的幫助很少。雖然在蒙古貴族階層中，忽必烈的支持人數不及阿里不哥，但他也有自己的優勢。首先是忽必烈的親漢舉動得到了當時大部分北方漢人的支持，這使得忽必烈可以充分利用中國北方的資源；其次是中原地區是忽必烈的勢力範圍，他可以通過封鎖這些地區來切斷阿里不哥的糧食供給。
忽必烈和阿里不哥是兩位截然不同的統治者，從客觀的角度分析，忽必烈善於學習外來文化併合理運用，阿里不哥則顯得有一些墨守成規。忽必烈到南方後，並沒有和其他蒙古人一樣將漢人當做奴隸。忽必烈重用漢人，將許多漢人中的能人異士收歸帳下。忽必烈允許漢人們自由言論，並且，十分重視漢人提出的建議。
1260年4月，阿里不哥率兵從關中出發，討伐忽必烈。5月，忽必烈以阿里不哥叛亂為由，立即調兵7000人嚴正以待，準備迎接阿里不哥的攻擊。因忽必烈早有準備，所以阿里不哥來襲之時，忽必烈的部下全力以抗，將阿里不哥的部隊擊敗，阿里不哥見此便匆忙返回。隨後。阿里不哥又派遣部隊進攻忽必烈所在地，但是忽必烈派得力助手前去迎敵，再一次將阿里不哥的軍隊打敗。阿里不哥和忽必烈進行了四年汗位爭奪大戰。當阿里不哥向忽必烈第三次發動戰爭時，忽必烈決定親自討伐阿里不哥。因為實力差距懸殊，所以，阿里不哥向忽必烈稱臣，忽必烈相信了他，繼續讓他成為哈剌和林的首領，鎮守此地。不想阿里不哥依然不死心，繼續向忽必烈發動戰爭。這一次，忽必烈再次親自討伐阿里不哥，忽必烈殺掉阿里不哥士兵3000多人。忽必烈不想殺掉阿里不哥，希望他能悔過之新，所以，忽必烈一直在打追擊戰，雙方進行了10余天持久戰。1264年，絕境中的阿里不哥向忽必烈投降，長達五年的汗位之爭終告結束。忽必烈將阿里不哥囚禁起來，過了兩年後，阿里不哥去世，又有一說法是，忽必烈毒殺了阿里不哥。
這次內戰導致了蒙古內部的巨大分裂，阿里不哥失敗後各大汗國紛紛獨立。蒙古雖打下了巨大的土地面積，卻沒有了統一的政權。
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